线程局部存储

线程局部存储（Thread-local storage，缩写：TLS）是一种存储持续期（storage duration），对象的存储是在线程开始时分配，线程结束时回收，每个线程有该对象自己的实例。这种对象的链接性（linkage）可以是静态的也可是外部的。
TLS的一个例子是用全局变量errno表示错误号。这可能在多线程并发时产生同步错误。线程局部存储的errno是个解决办法。

**Windows的实现**
每个进程都有一组标志，共TLS_MINIMUM_AVAILABLE(==64)个。每个标志可以被设为FREE或INUSE，表示该TLS元素是否正在使用。注意这组标志属进程所有。当系统创建一个线程的时候，会为该线程分配与线程关联的、属于线程自己的PVOID型数组（共有TLS_MINIMUM_AVAILBALE个元素），数组中的每个PVOID可以保存任意值。
Windows API函数TlsAlloc用于获取进程中一个未用的TLS slot index。然后将该标志从FREE改为INUSE，并返回该标志在位数组中的索引，通常将该索引保存在一个全局变量中，因为这个值会在整个进程范围内（而不是线程范围内）使用。
调用TlsSetValue(dwTlsIndex,pvTlsValue)将一个PVOID值放到线程的数组中dwTlsIndex指定的具体位置。
函数TlsGetValue与TlsSetValue用于通过TLS slot index读写一个线程局部存储变量所指向的内存块。函数TlsFree用于释放TLS slot index。
在Win32线程信息块的FS:0x2C地址处，存放的是线程局部存储表的地址。每个线程用它自己的线程局部存储表的拷贝。TlsAlloc返回表中一个未使用的索引。因此每个线程可以用TlsSetValue(index)设置线程局部存储值，用TlsGetValue(index)获取线程局部存储值。
Windows可执行程序也可以定义一个节（section），映射到进程每个线程的不同的内存分页。这种节只定义在主程序里，动态链接库（DLL）不应该包含这种节因为不会被LoadLibrary函数在加载时初始化。
对于Windows系统来说，全局变量或静态变量会被放到".data"或".bss"段中，但当使用__declspec(thread)定义一个线程私有变量的时候，编译器会把这些变量放到PE文件的".tls"段中。当系统启动一个新的线程时，它会从进程的堆中分配一块足够大小的空间，然后把".tls"段中的内容复制到这块空间中，于是每个线程都有自己独立的一个".tls"副本。所以对于用__declspec(thread)定义的同一个变量，它们在不同线程中的地址都是不一样的。对于一个TLS变量来说，它有可能是一个C++的全局对象，那幺每个线程在启动时不仅仅是复制".tls"的内容那幺简单，还需要把这些TLS对象初始化，必须逐个地调用它们的全局构造函数，而且当线程退出时，还要逐个地将它们析构，正如普通的全局对象在进程启动和退出时都要构造、析构一样。Windows PE文件的结构中有个叫数据目录的结构。它总共有16个元素，其中有一元素下标为IMAGE_DIRECT_ENTRY_TLS，这个元素中保存的地址和长度就是TLS表（IMAGE_TLS_DIRECTORY结构）的地址和长度。TLS表中保存了所有TLS变量的构造函数和析构函数的地址，Windows系统就是根据TLS表中的内容，在每次线程启动或退出时对TLS变量进行构造和析构。TLS表本身往往位于PE文件的".rdata"段中。

**Pthreads的实现**
Pthreads API定义了线程特定的数据。
函数pthread_key_create与pthread_key_delete创建与删除一个键，用于线程特定的数据。键的类型被称为pthread_key_t。键可以被所有线程看到。在每个线程，键可以用pthread_setspecific函数关联到线程特定的数据。数据可以随后用pthread_getspecific函数获取。

**特定于语言的实现**

**C and C++**
C11的关键字_Thread_local用于定义线程局部变量。在头文件定义了thread_local为上述关键词的同义。例如：
#include 
thread_local int foo = 0;
C++11引入了thread_local关键字用于下述情形： 
*命名空间(全局)变量
*文件静态变量
*函数静态变量
*静态成员变量
此外，不同编译器提供了各自的方法声明线程局部变量：
*Solaris Studio C/C++, IBM XL C/C++, GNU C, Clang与Intel C++ Compiler (Linux平台)使用语法： 
*: __thread int number;
*Visual C++, Intel C/C++ (Windows systems), C++Builder, 与Digital Mars C++ 使用语法：
*: __declspec(thread) int number;
*C++Builder也可以使用语法： 
*: int __thread number;
Windows的版本早于Vista与Server 2008, __declspec(thread)对于DLL只用于DLL被可执行程序绑定静态加载，在LoadLibrary()函数动态加载DLL将报告protection fault或data corruption。

**Java**
Java语言中，线程局部变量使用ThreadLocal类对象表示。ThreadLocal保持了变量的类型T，可以通过get/set方法访问。例如，ThreadLocal保持了Integer值：
private static final ThreadLocal myThreadLocalInteger = new ThreadLocal();
Oracle/OpenJDK使用操作系统线程以避免性能代价。

**.NET 语言: C# 与Visual Basic.Net**
.NET Framework语言，静态域可标记 ThreadStatic attribute date=20070615155253 :
class FooBar {
ThreadStatic static int foo;
}
.NET 4.0， System.Threading.ThreadLocal date=20180726071847 可用于分配与惰性装入线程局部变量。
class FooBar {
private static System.Threading.ThreadLocal foo;
}
Also  an API
is available for dynamically allocating thread-local variables.

**Python**
Python语言从版本2.4开始，threading模块的local类可用于创建线程局部存储：
import threading
mydata = threading.local()
mydata.x = 1

**Ruby**
Ruby语言能创建/访问线程局部变量使用=/方法:
Thread.current:user_id = 1

**参考文献**

**外部链接**
 ELF Handling For Thread-Local Storage date=20210417034151  — Document about an implementation in C or C++.- ACE_TSS Class Template Reference- RWTThreadLocal Class Template Documentation
*Article " Use thread-local Storage to Pass Thread Specific Data date=20160324014554 " by Doug Doedens
*" Thread-Local Storage date=20210426160111 " by Lawrence Crowl
*Article " It's Not Always Nice To Share date=20090715152525 " by Walter Bright
*Practical ThreadLocal usage in Java: https://web.archive.org/web/20161220151503/https://www.captechconsulting.com/blogs/a-persistence-pattern-using-threadlocal-and-ejb-interceptors
*GCC " date=20200116163916 "