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线程本地存储TLS(Thread Local Storage)的原理和实现——实现探究

本文为线程本地存储TLS系列之实现探究。
我们在上一篇线程本地存储TLS(Thread Local Storage)的原理和实现——分类和原理中曾经说过TLS可以分为两类：静态TLS和动态TLS。然后又分别说明了两者在程序实现时的用法，并且还说明了windows对这两类TLS的实现原理，我们本文的目的是从底层实现的角度深入探究，深刻理解原理。
先考虑以下两个问题：
1、在上一篇中，我们说到静态TLS数据是在编译时放入.tls节，然后在系统加载程序时，会去寻找.tls节，并且分配一个足够大的内存空间来存放所有这些静态TLS变量。那么问题是，当程序加载后，对静态TLS数据分配的内存空间在哪里呢？用什么来表示呢？
2、在上一篇中，我们说到动态TLS是存放在每一个线程独立的TLS slot数组中，这个数组的大小是TLS_MINIMUM_AVAILABLE维，那么这个数组在哪里呢？TlsSetValue和TlsGetValue应该就是访问的这个数组，在取得索引的情况下，如果我们知道这个数组的位置，那么我们是否完全就能抛开上面两个函数自己读写来测试呢？

一、线程环境块TEB
在给出具体程序之前，我们有必要先讨论一下线程环境块TEB。
我们知道，每个线程都有属于自己的一系列数据，这些数据就是通过TEB来管理，当然就包括像TLS这样的线程私有数据。那么TEB的结构是什么样的呢？在微软的文档和头文件上，我没有查到TEB完整的信息，不过我们还是可以通过Windbg得到的，以下是TEB的详细展开信息：

nt!_TEB
0:001> dt -b nt!_TEB
ntdll!_TEB
   +0x000 NtTib            : _NT_TIB
      +0x000 ExceptionList    : Ptr32 
      +0x004 StackBase        : Ptr32 
      +0x008 StackLimit       : Ptr32 
      +0x00c SubSystemTib     : Ptr32 
      +0x010 FiberData        : Ptr32 
      +0x010 Version          : Uint4B
      +0x014 ArbitraryUserPointer : Ptr32 
      +0x018 Self             : Ptr32 
   +0x01c EnvironmentPointer : Ptr32 
   +0x020 ClientId         : _CLIENT_ID
      +0x000 UniqueProcess    : Ptr32 
      +0x004 UniqueThread     : Ptr32 
   +0x028 ActiveRpcHandle  : Ptr32 
   +0x02c ThreadLocalStoragePointer : Ptr32 
   +0x030 ProcessEnvironmentBlock : Ptr32 
   +0x034 LastErrorValue   : Uint4B
   +0x038 CountOfOwnedCriticalSections : Uint4B
   +0x03c CsrClientThread  : Ptr32 
   +0x040 Win32ThreadInfo  : Ptr32 
   +0x044 User32Reserved   : Uint4B
   +0x0ac UserReserved     : Uint4B
   +0x0c0 WOW32Reserved    : Ptr32 
   +0x0c4 CurrentLocale    : Uint4B
   +0x0c8 FpSoftwareStatusRegister : Uint4B
   +0x0cc SystemReserved1  : Ptr32 
   +0x1a4 ExceptionCode    : Int4B
   +0x1a8 ActivationContextStack : _ACTIVATION_CONTEXT_STACK
      +0x000 Flags            : Uint4B
      +0x004 NextCookieSequenceNumber : Uint4B
      +0x008 ActiveFrame      : Ptr32 
      +0x00c FrameListCache   : _LIST_ENTRY
         +0x000 Flink            : Ptr32 
         +0x004 Blink            : Ptr32 
   +0x1bc SpareBytes1      : UChar
   +0x1d4 GdiTebBatch      : _GDI_TEB_BATCH
      +0x000 Offset           : Uint4B
      +0x004 HDC              : Uint4B
      +0x008 Buffer           : Uint4B
   +0x6b4 RealClientId     : _CLIENT_ID
      +0x000 UniqueProcess    : Ptr32 
      +0x004 UniqueThread     : Ptr32 
   +0x6bc GdiCachedProcessHandle : Ptr32 
   +0x6c0 GdiClientPID     : Uint4B
   +0x6c4 GdiClientTID     : Uint4B
   +0x6c8 GdiThreadLocalInfo : Ptr32 
   +0x6cc Win32ClientInfo  : Uint4B
   +0x7c4 glDispatchTable  : Ptr32 
   +0xb68 glReserved1      : Uint4B
   +0xbdc glReserved2      : Ptr32 
   +0xbe0 glSectionInfo    : Ptr32 
   +0xbe4 glSection        : Ptr32 
   +0xbe8 glTable          : Ptr32 
   +0xbec glCurrentRC      : Ptr32 
   +0xbf0 glContext        : Ptr32 
   +0xbf4 LastStatusValue  : Uint4B
   +0xbf8 StaticUnicodeString : _UNICODE_STRING
      +0x000 Length           : Uint2B
      +0x002 MaximumLength    : Uint2B
      +0x004 Buffer           : Ptr32 
   +0xc00 StaticUnicodeBuffer : Uint2B
   +0xe0c DeallocationStack : Ptr32 
   +0xe10 TlsSlots         : Ptr32 
   +0xf10 TlsLinks         : _LIST_ENTRY
      +0x000 Flink            : Ptr32 
      +0x004 Blink            : Ptr32 
   +0xf18 Vdm              : Ptr32 
   +0xf1c ReservedForNtRpc : Ptr32 
   +0xf20 DbgSsReserved    : Ptr32 
   +0xf28 HardErrorsAreDisabled : Uint4B
   +0xf2c Instrumentation  : Ptr32 
   +0xf6c WinSockData      : Ptr32 
   +0xf70 GdiBatchCount    : Uint4B
   +0xf74 InDbgPrint       : UChar
   +0xf75 FreeStackOnTermination : UChar
   +0xf76 HasFiberData     : UChar
   +0xf77 IdealProcessor   : UChar
   +0xf78 Spare3           : Uint4B
   +0xf7c ReservedForPerf  : Ptr32 
   +0xf80 ReservedForOle   : Ptr32 
   +0xf84 WaitingOnLoaderLock : Uint4B
   +0xf88 Wx86Thread       : _Wx86ThreadState
      +0x000 CallBx86Eip      : Ptr32 
      +0x004 DeallocationCpu  : Ptr32 
      +0x008 UseKnownWx86Dll  : UChar
      +0x009 OleStubInvoked   : Char
   +0xf94 TlsExpansionSlots : Ptr32 
   +0xf98 ImpersonationLocale : Uint4B
   +0xf9c IsImpersonating  : Uint4B
   +0xfa0 NlsCache         : Ptr32 
   +0xfa4 pShimData        : Ptr32 
   +0xfa8 HeapVirtualAffinity : Uint4B
   +0xfac CurrentTransactionHandle : Ptr32 
   +0xfb0 ActiveFrame      : Ptr32 
   +0xfb4 SafeThunkCall    : UChar
   +0xfb5 BooleanSpare     : UChar

这个结构体包含的信息很多，我们此处只需要关注与TLS相关的，对其他的都忽略。所以我在程序里定义了以下这个结构体，用一些保留字段来控制相关域的偏移：

//通过windgb查看_TEB得到的我的系统(winXP+SP3)中的_TEB的实现
struct STEB
{
    NT_TIB NtTib;
    PVOID EnvironmentPointer;
    //中间若干数据，与此处研究无关，故不展开，只标记偏移。下面的Reserved2,Reserved3也是同理
    BYTE Reserved1[12]; 
    PVOID ThreadLocalStoragePointer;    //指向存放静态TLS数据的地址的指针的地址
    BYTE Reserved2[3552];
    PVOID TlsSlots[64];                    //指向存放动态TLS数据的TLS Slot数组
    BYTE Reserved3[132];
    PVOID TlsExpansionSlots;             //当索引大于63时，TlsSlots数组存不下了，就会新分配内存来存放，并且将指针记录在这里
    //后面还有若干数据，与此处研究无关，故省略
};

以上就是我在之后两个程序中要用到的直接访问相关内存的线程TEB定义了。那么这个结构又是存放在哪里的呢？在windows系统上，该结构体的起始地址总是FS:[0]。而为了更方便的用指针访问，我们用到了NT_TIB结构中的Self字段，Self指针就是指向自身的其实地址，也就是NT_TIB的首地址，也就是我们的STEB的首地址。在winnt.h中，NT_TIB定义如下：

NT_TIB
typedef struct _NT_TIB {
    struct _EXCEPTION_REGISTRATION_RECORD *ExceptionList;
    PVOID StackBase;
    PVOID StackLimit;
    PVOID SubSystemTib;
#if defined(_MSC_EXTENSIONS)
    union {
        PVOID FiberData;
        DWORD Version;
    };
#else
    PVOID FiberData;
#endif
    PVOID ArbitraryUserPointer;
    struct _NT_TIB *Self;
} NT_TIB;
typedef NT_TIB *PNT_TIB;

如同_TEB一样，因为其他字段我们不关心，所以都不讨论了，此处只需要知道Self指针就是指向自身，有了他，可以方便的进行指针访问操作了。

二、静态TLS实现探究
我们通过下面的程序来研究静态TLS的实现。先说明程序的基本框架：在文件最开始，声明了3个静态TLS变量，并定义了要启动的线程数。然后main函数启动若干个线程，在线程函数中分别对3个TLS变量赋值，然后调用一个分析函数TlsMemFunc：这个函数用临界区来防止线程的输出相互干扰，首先用正常的方式打印出TLS变量的值，然后直接访问内存存放静态TLS变量的地方，自己获取相关的值打印出来。从这个过程中，我们可以深入探究windows对静态TLS内存管理的实现。程序如下，对关键部分都做了注释，就不再额外说明了，不过要格外留心的是TlsMemFunc中指针操作的代码，这是非常有趣的：

静态TLS研究程序
//本程序研究静态TLS，编译器会将程序中声明的所有静态TLS变量放到生成的PE文件的.tls段。
//系统加载可执行文件时，会为所有静态TLS数据分配内存，其中分配的内存地址由_TEB的ThreadLocalStoragePointer指出(需要一次转换)。
#include <stdio.h> 
#include <windows.h> 
#include <WinNT.h>

//通过windgb查看_TEB得到的我的系统(winXP+SP3)中的_TEB的实现
struct STEB
{
    NT_TIB NtTib;
    PVOID EnvironmentPointer;
    //中间若干数据，与此处研究无关，故不展开，只标记偏移。下面的Reserved2,Reserved3也是同理
    BYTE Reserved1[12]; 
    PVOID ThreadLocalStoragePointer;    //指向存放静态TLS数据的地址的指针的地址
    BYTE Reserved2[3552];
    PVOID TlsSlots[64];                    //指向存放动态TLS数据的TLS Slot数组
    BYTE Reserved3[132];
    PVOID TlsExpansionSlots;             //当索引大于63时，TlsSlots数组存不下了，就会新分配内存来存放，并且将指针记录在这里
    //后面还有若干数据，与此处研究无关，故省略
};


//设定启动线程数
#define THREADCOUNT 5

int baseorder=0;
//静态TLS数据
__declspec(thread) DWORD dwRunOrder=0;
__declspec(thread) DWORD dwThreadID=0;
__declspec(thread) char chThreadName[50]={0};

//为了查看内存数据时正常，采用临界区
CRITICAL_SECTION gDisplayTLS_CS;


//内存中查看静态TLS数据
VOID TlsMemFunc(VOID) 
{ 
    EnterCriticalSection( &gDisplayTLS_CS );
    
    printf("=============================原始静态TLS数据=============================\n"); 
    printf("dwThreadID=%d；dwRunOrder=%d；chThreadName=%s\n",dwThreadID,dwRunOrder,chThreadName); 
    printf("=========================================================================\n"); 

    PNT_TIB pTIB;
    STEB * pTEB;
    __asm
    {
        mov     EAX, FS:[18h]
        mov     [pTIB], EAX
    } 
    pTEB = (STEB *)pTIB;
    printf("=======================通过内存偏移查看静态TLS数据=======================\n"); 

    //pTEB->ThreadLocalStoragePointer指向存放静态TLS数据的地址的指针的地址
    DWORD dwTrueOffset = *(DWORD *)(pTEB->ThreadLocalStoragePointer);
    //将上面的值转为地址，就是指向真正存放静态TLS数据的内存的指针
    DWORD * pFirst = (DWORD*)dwTrueOffset;
#ifdef _DEBUG
    //注意，在debug版本下，因为系统会自动分配一段很大的内存在存放调试信息，所以TLS数据位置会延后！
    //在我的编译器vs2010中，是分配了0x100个字节，但不能保证在别的环境下也是这样，所以建议用Release编译得到的可执行文件！！！
    pFirst += 64;    //0x100个字节
#endif
    //这块内存总是由4个0字节组成，也就是一个DWORD.
    ++pFirst;
    DWORD dwMemRunOrder=*(pFirst+1); 
    DWORD dwMemThreadID=*pFirst;    
    char * pMemThreadName = (char*)(pFirst+2);
    printf("dwThreadID=%d；dwRunOrder=%d；chThreadName=%s\n",dwMemThreadID,dwMemRunOrder,pMemThreadName);     
    printf("=========================================================================\n\n"); 

    LeaveCriticalSection( &gDisplayTLS_CS );
} 

DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID lpThreadParameter) 
{ 
    dwRunOrder = ++baseorder;
    dwThreadID = GetCurrentThreadId();
    strcpy(chThreadName,(char*)lpThreadParameter);    

    TlsMemFunc(); 
    return 0; 
} 

DWORD main(VOID) 
{ 
    DWORD IDThread; 
    HANDLE hThread[THREADCOUNT]; 
    char name[THREADCOUNT][50]={0};

    InitializeCriticalSection( &gDisplayTLS_CS );

    // Create multiple threads. 
    for (int i = 0; i < THREADCOUNT; i++) 
    { 
        sprintf(name[i],"This thread is number %d!",i+1);
        hThread[i] = CreateThread(NULL, // default security attributes 
            0,                           // use default stack size 
            (LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadFunc, // thread function 
            name[i],                    // no thread function argument 
            0,                       // use default creation flags 
            &IDThread);              // returns thread identifier 

        // Check the return value for success. 
        if (hThread[i] == NULL) 
            fprintf(stderr, "CreateThread %d error\n", i); 
    } 

    for (int i = 0; i < THREADCOUNT; i++) 
        WaitForSingleObject(hThread[i], INFINITE); 

    DeleteCriticalSection( &gDisplayTLS_CS );
    return 0; 
} 

要说明的是：由于debug版本，编译器会自动分配一段内存来存放调试信息，从上面的代码中，可以看到我已经对我的编译环境VS2010进行了代码调整（_DEBUG宏部分），但是如果你用的是别的编译器，那我不确定他分配的是和VS2010一样的，所以可能结果不正确，建议用Release版本来分析。
程序运行结果如下：

可以看出，通过直接访问静态TLS变量和访问TEB中相关内存得到的是一样的，由此我们就更加深入的理解了上一篇中讲的静态TLS的原理，也知道操作系统是如何管理和实现静态TLS的。

三、动态TLS实现探究
我们通过下面的程序来研究动态TLS的实现。本程序的基本框架和静态TLS程序结构大致相同，但是不需要声明静态TLS变量了，而是用TlsXXX系列函数来创建动态TLS数据。然后关键是分析函数TlsMemFunc：这个函数用临界区来防止线程的输出相互干扰，首先用TlsGetValue的方式打印出TLS变量的值，然后直接访问内存读取动态TLS变量并打印出来。要特别注意的是：TEB中存放动态TLS的数组只有64维，但是windowsNT支持1000多个TLS数据，这是利用扩展Slot指针来实现的，为了模拟这种情况，我特意在main中调用TlsAlloc直至索引超过64，而需要访问扩展空间的情况。这些代码很有趣，读者可以自己尝试修改观察。从这个过程中，我们可以深入探究windows对动态TLS内存管理的实现。程序的关键部分都做了注释，就不再额外展开了，不过与上面的程序一样，请一定要细心研究TlsMemFunc对指针操作的代码：

动态TLS研究
//本程序研究动态TLS，动态TLS是通过调用一组API实现，在生成的PE文件中没有.tls段。
//可执行文件运行后，没新建一个线程，都会为这个线程创建一个数组TLS Slot，用于存放动态TLS数据。该数组就是由_TEB的TlsSlots指出。
//TlsSetValue和TlsGetValue其实也就是访问的这个数组，当维数超过64时，由于TlsSlots不够，所以用到了TlsExpansionSlots
#include <stdio.h> 
#include <windows.h> 
#include <WinNT.h>

//通过windgb查看_TEB得到的我的系统(winXP+SP3)中的_TEB的实现
struct STEB
{
    NT_TIB NtTib;
    PVOID EnvironmentPointer;
    //中间若干数据，与此处研究无关，故不展开，只标记偏移。下面的Reserved2,Reserved3也是同理
    BYTE Reserved1[12]; 
    PVOID ThreadLocalStoragePointer;    //指向存放静态TLS数据的地址的指针的地址
    BYTE Reserved2[3552];
    PVOID TlsSlots[64];                    //指向存放动态TLS数据的TLS Slot数组
    BYTE Reserved3[132];
    PVOID TlsExpansionSlots;             //当索引大于63时，TlsSlots数组存不下了，就会新分配内存来存放，并且将指针记录在这里
    //后面还有若干数据，与此处研究无关，故省略
};

//设定启动线程数
#define THREADCOUNT 5
int baseorder=0;
//TLS Slot索引
DWORD dwTlsIndex1,dwTlsIndex2; 

//为了查看内存数据时正常，采用临界区
CRITICAL_SECTION gDisplayTLS_CS;

//内存中查看动态TLS数据
VOID TlsMemFunc(VOID) 
{ 
    EnterCriticalSection( &gDisplayTLS_CS );

    printf("=============================原始动态TLS数据=============================\n"); 
    printf("dwThreadID=%d；threadinfo=%s\n",(DWORD)TlsGetValue(dwTlsIndex1),(char*)TlsGetValue(dwTlsIndex2)); 
    printf("=========================================================================\n"); 

    PNT_TIB pTIB;
    STEB * pTEB;
    __asm
    {
        mov     EAX, FS:[18h]
        mov     [pTIB], EAX
    } 
    pTEB = (STEB *)pTIB;
    printf("=======================通过内存偏移查看动态TLS数据=======================\n"); 

    DWORD dwTlsIndex1Value,dwTlsIndex2Value;
    if (dwTlsIndex1 < 64)
    {
        dwTlsIndex1Value = (DWORD)pTEB->TlsSlots[dwTlsIndex1];
    }
    else
    {
        DWORD * pES = (DWORD*)(pTEB->TlsExpansionSlots);
        pES += dwTlsIndex1-64;
        dwTlsIndex1Value = *pES;
    }
    if (dwTlsIndex2 < 64)
    {
        dwTlsIndex2Value = (DWORD)pTEB->TlsSlots[dwTlsIndex2];
    }
    else
    {
        DWORD * pES = (DWORD*)(pTEB->TlsExpansionSlots);
        pES += dwTlsIndex2-64;
        dwTlsIndex2Value = (*pES);
    }
    
    printf("dwThreadID=%d；threadinfo=%s\n",dwTlsIndex1Value,(char*)dwTlsIndex2Value);     
    printf("=========================================================================\n\n"); 

    LeaveCriticalSection( &gDisplayTLS_CS );
} 


DWORD WINAPI ThreadFunc(VOID) 
{ 
    TlsSetValue(dwTlsIndex1,(LPVOID)GetCurrentThreadId());
    char info[100]={0};
    sprintf(info,"My threadID is %d,My runorder is %d!",GetCurrentThreadId(),++baseorder);
    TlsSetValue(dwTlsIndex2,info);

    TlsMemFunc(); 
    return 0; 
} 

DWORD main(VOID) 
{ 
    DWORD IDThread; 
    HANDLE hThread[THREADCOUNT]; 
    
    InitializeCriticalSection( &gDisplayTLS_CS );

    dwTlsIndex1 = TlsAlloc();
    //故意使索引超过64，而测试扩展slot
    while(dwTlsIndex1 < 63)
        dwTlsIndex1 = TlsAlloc();

    dwTlsIndex2 = TlsAlloc();
    if (dwTlsIndex1 == TLS_OUT_OF_INDEXES || dwTlsIndex2 == TLS_OUT_OF_INDEXES) 
    {
        fprintf(stderr, "TlsAlloc failed\n"); 
        return -1;
    }
    printf("dwTlsIndex1=%d：用于存放线程ID；dwTlsIndex2=%d：用于存放指向线程信息的指针。\n", dwTlsIndex1, dwTlsIndex2); 
    
    // Create multiple threads. 
    for (int i = 0; i < THREADCOUNT; i++) 
    { 
        hThread[i] = CreateThread(NULL, // default security attributes 
            0,                           // use default stack size 
            (LPTHREAD_START_ROUTINE) ThreadFunc, // thread function 
            NULL,                    // no thread function argument 
            0,                       // use default creation flags 
            &IDThread);              // returns thread identifier 

        // Check the return value for success. 
        if (hThread[i] == NULL) 
            fprintf(stderr, "CreateThread %d error\n", i); 
    } 

    for (int i = 0; i < THREADCOUNT; i++) 
        WaitForSingleObject(hThread[i], INFINITE); 

    TlsFree(dwTlsIndex1);
    TlsFree(dwTlsIndex2);

    DeleteCriticalSection( &gDisplayTLS_CS );
    return 0; 
} 

程序运行结果如下：

同样可以看出，通过TlsGetValue访问动态TLS变量和访问TEB中相关内存得到的是一样的，由此我们就更加深入的理解了上一篇中讲的动态TLS的原理，已经底层的Tls slots数组的实现情况。抽丝剥茧，一目了然！

posted on 2012-07-04 08:57 Tim 阅读(7398) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 逆向工程 、windows系统