線程局部存儲

線程局部存儲（Thread-local storage，縮寫：TLS）是一種存儲持續期（storage duration），對象的存儲是在線程開始時分配，線程結束時回收，每個線程有該對象自己的實例。這種對象的鏈接性（linkage）可以是靜態的也可是外部的。
TLS的一個例子是用全局變量errno表示錯誤號。這可能在多線程併發時產生同步錯誤。線程局部存儲的errno是個解決辦法。

**Windows的實現**
每個進程都有一組標誌，共TLS_MINIMUM_AVAILABLE(==64)個。每個標誌可以被設為FREE或INUSE，表示該TLS元素是否正在使用。注意這組標誌屬進程所有。當系統創建一個線程的時候，會為該線程分配與線程關聯的、屬於線程自己的PVOID型數組（共有TLS_MINIMUM_AVAILBALE個元素），數組中的每個PVOID可以保存任意值。
Windows API函數TlsAlloc用於獲取進程中一個未用的TLS slot index。然後將該標誌從FREE改為INUSE，並返回該標誌在位數組中的索引，通常將該索引保存在一個全局變量中，因為這個值會在整個進程範圍內（而不是線程範圍內）使用。
調用TlsSetValue(dwTlsIndex,pvTlsValue)將一個PVOID值放到線程的數組中dwTlsIndex指定的具體位置。
函數TlsGetValue與TlsSetValue用於通過TLS slot index讀寫一個線程局部存儲變量所指向的內存塊。函數TlsFree用於釋放TLS slot index。
在Win32線程信息塊的FS:0x2C地址處，存放的是線程局部存儲表的地址。每個線程用它自己的線程局部存儲表的拷貝。TlsAlloc返回表中一個未使用的索引。因此每個線程可以用TlsSetValue(index)設置線程局部存儲值，用TlsGetValue(index)獲取線程局部存儲值。
Windows可執行程序也可以定義一個節（section），映射到進程每個線程的不同的內存分頁。這種節只定義在主程序裡，動態鏈接庫（DLL）不應該包含這種節因為不會被LoadLibrary函數在加載時初始化。
對於Windows系統來說，全局變量或靜態變量會被放到".data"或".bss"段中，但當使用__declspec(thread)定義一個線程私有變量的時候，編譯器會把這些變量放到PE文件的".tls"段中。當系統啟動一個新的線程時，它會從進程的堆中分配一塊足夠大小的空間，然後把".tls"段中的內容複製到這塊空間中，於是每個線程都有自己獨立的一個".tls"副本。所以對於用__declspec(thread)定義的同一個變量，它們在不同線程中的地址都是不一樣的。對於一個TLS變量來說，它有可能是一個C++的全局對象，那麼每個線程在啟動時不僅僅是複製".tls"的內容那麼簡單，還需要把這些TLS對象初始化，必須逐個地調用它們的全局構造函數，而且當線程退出時，還要逐個地將它們析構，正如普通的全局對象在進程啟動和退出時都要構造、析構一樣。Windows PE文件的結構中有個叫數據目錄的結構。它總共有16個元素，其中有一元素下標為IMAGE_DIRECT_ENTRY_TLS，這個元素中保存的地址和長度就是TLS表（IMAGE_TLS_DIRECTORY結構）的地址和長度。TLS表中保存了所有TLS變量的構造函數和析構函數的地址，Windows系統就是根據TLS表中的內容，在每次線程啟動或退出時對TLS變量進行構造和析構。TLS表本身往往位於PE文件的".rdata"段中。

**Pthreads的實現**
Pthreads API定義了線程特定的數據。
函數pthread_key_create與pthread_key_delete創建與刪除一個鍵，用於線程特定的數據。鍵的類型被稱為pthread_key_t。鍵可以被所有線程看到。在每個線程，鍵可以用pthread_setspecific函數關聯到線程特定的數據。數據可以隨後用pthread_getspecific函數獲取。

**特定於語言的實現**

**C and C++**
C11的關鍵字_Thread_local用於定義線程局部變量。在頭文件定義了thread_local為上述關鍵詞的同義。例如：
#include 
thread_local int foo = 0;
C++11引入了thread_local關鍵字用於下述情形： 
*命名空間(全局)變量
*文件靜態變量
*函數靜態變量
*靜態成員變量
此外，不同編譯器提供了各自的方法聲明線程局部變量：
*Solaris Studio C/C++, IBM XL C/C++, GNU C, Clang與Intel C++ Compiler (Linux平臺)使用語法： 
*: __thread int number;
*Visual C++, Intel C/C++ (Windows systems), C++Builder, 與Digital Mars C++ 使用語法：
*: __declspec(thread) int number;
*C++Builder也可以使用語法： 
*: int __thread number;
Windows的版本早於Vista與Server 2008, __declspec(thread)對於DLL只用於DLL被可執行程序綁定靜態加載，在LoadLibrary()函數動態加載DLL將報告protection fault或data corruption。

**Java**
Java語言中，線程局部變量使用ThreadLocal類對象表示。ThreadLocal保持了變量的類型T，可以通過get/set方法訪問。例如，ThreadLocal保持了Integer值：
private static final ThreadLocal myThreadLocalInteger = new ThreadLocal();
Oracle/OpenJDK使用操作系統線程以避免性能代價。

**.NET 語言: C# 與Visual Basic.Net**
.NET Framework語言，靜態域可標記 ThreadStatic attribute date=20070615155253 :
class FooBar {
ThreadStatic static int foo;
}
.NET 4.0， System.Threading.ThreadLocal date=20180726071847 可用於分配與惰性裝入線程局部變量。
class FooBar {
private static System.Threading.ThreadLocal foo;
}
Also  an API
is available for dynamically allocating thread-local variables.

**Python**
Python語言從版本2.4開始，threading模塊的local類可用於創建線程局部存儲：
import threading
mydata = threading.local()
mydata.x = 1

**Ruby**
Ruby語言能創建/訪問線程局部變量使用=/方法:
Thread.current:user_id = 1

**參考文獻**

**外部鏈接**
 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 "