如何理解被C#的ThreadStatic标记的静态变量

ThreadStatic 的用法 

1. 普通的 static 变量

相信很多朋友在代码中都使用过 static 变量，它的好处多多，比如说我经常会用 static 去做一个进程级缓存，从而提高程序的性能，当然你也可以作为一个非常好的一级缓存，如下代码：

    public class Test
    {
        public static Dictionary<int, string> cachedDict = new Dictionary<int, string>();
    }

刚才我也说到了，这是一个进程级的缓存，多个线程都看得见，所以在多线程的环境下，你需要特别注意同步的问题。要么使用锁，要么使用 ConcurrentDictionary，我觉得这也是一个思维定式，很多时候思维总是在现有基础上去修补，去亡羊补牢，而没有跳出这个思维从根基上去处理，说这么多是什么意思呢？我举一个例子：

在市面上常见的链式跟踪框架中，比如说：Zikpin，SkyWalking，会使用一些集合去存储跟踪当前线程的一些链路信息，比如说 A -> B -> C -> D -> B -> A，常规的思维就像上面说的一样，定义一个全局 cachedDict，然后使用各种同步机制，其实你也可以降低 cachedDict 的访问作用域，将 全局访问 改成 Thread级访问，这难道不是更好的解决思路吗？

2. 用 ThreadStatic 标记 static 变量

要想做到 Thread级作用域，实现起来非常简单，在 cachedDict 上打一个 ThreadStatic 特性即可，修改代码如下：

    public class Test
    {
        [ThreadStatic]
        public static Dictionary<int, string> cachedDict = new Dictionary<int, string>();
    }
 

接下来可以开多个线程给 cachedDict 灌数据，看看 dict 是不是 Thread级作用域，实现代码如下：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var task1 = Task.Run(() =>
            {
                if (Test.cachedDict == null) Test.cachedDict = new Dictionary<int, string>();
                Test.cachedDict.Add(1, "mary");
                Test.cachedDict.Add(2, "john");

                Console.WriteLine($"thread={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 的 dict 有记录: {Test.cachedDict.Count}");
            });

            var task2 = Task.Run(() =>
            {
                if (Test.cachedDict == null) Test.cachedDict = new Dictionary<int, string>();
                Test.cachedDict.Add(3, "python");
                Test.cachedDict.Add(4, "jaskson");
                Test.cachedDict.Add(5, "elen");

                Console.WriteLine($"thread={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId} 的 dict 有记录: {Test.cachedDict.Count}");
            });

            Console.ReadLine();
        }
    }

    public class Test
    {
        [ThreadStatic]
        public static Dictionary<int, string> cachedDict = new Dictionary<int, string>();
    }
 

 

从结果来看，确实是一个 Thread 级，而且还避免了线程间同步开销，哈哈????，这么神奇的东西，难怪有读者想看看底层到底是怎么实现的。

用 Windbg 挖 ThreadStatic 

1. 对 TEB 和 TLS 的认识

• TEB (Thread Environment Block)

每一个线程都有一份属于自己专属的私有数据，这些数据就放在 Thread 的 TEB 中，如果你想看的话，可以在 windbg 中打印出来。

0:000> !teb
TEB at 0000001e1cdd3000
    ExceptionList:        0000000000000000
    StackBase:            0000001e1cf80000
    StackLimit:           0000001e1cf6e000
    SubSystemTib:         0000000000000000
    FiberData:            0000000000001e00
    ArbitraryUserPointer: 0000000000000000
    Self:                 0000001e1cdd3000
    EnvironmentPointer:   0000000000000000
    ClientId:             0000000000005980 . 0000000000005aa8
    RpcHandle:            0000000000000000
    Tls Storage:          000001b599d06db0
    PEB Address:          0000001e1cdd2000
    LastErrorValue:       0
    LastStatusValue:      c0000139
    Count Owned Locks:    0
    HardErrorMode:        0
 

从 teb 的结构中可以看出，既有 线程本地存储(TLS)，也有异常相关信息的存储 (ExceptionList) 等等相关信息。

• TLS (Thread Local Storage)

进程会在启动后给 TLS 分配总共 1088 个槽位，每个线程都会分配一个专属的 tlsindex 索引，并且拥有一组 slots 槽位，可以用 windbg 去验证一下。

0:000> !tls
Usage:
tls <slot> [teb]
  slot:  -1 to dump all allocated slots
         {0-0n1088} to dump specific slot
  teb:   <empty> for current thread
         0 for all threads in this process
         <teb address> (not threadid) to dump for specific thread.
0:000> !tls -1
TLS slots on thread: 5980.5aa8
0x0000 : 0000000000000000
0x0001 : 0000000000000000
0x0002 : 0000000000000000
0x0003 : 0000000000000000
0x0004 : 0000000000000000
...
0x0019 : 0000000000000000
0x0040 : 0000000000000000

0:000> !t                                                                                                        Lock  
 DBG   ID OSID ThreadOBJ           State GC Mode     GC Alloc Context                  Domain           Count Apt Exception
   0    1 5aa8 000001B599CEED90    2a020 Preemptive  000001B59B9042F8:000001B59B905358 000001b599cdb130 1     MTA 
   5    2  90c 000001B599CF4930    2b220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001b599cdb130 0     MTA (Finalizer) 
   7    3   74 000001B59B7272A0  102a220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001b599cdb130 0     MTA (Threadpool Worker) 
   9    4 2058 000001B59B7BAFF0  1029220 Preemptive  0000000000000000:0000000000000000 000001b599cdb130 0     MTA (Threadpool Worker) 

从上面的 {0-0n1088} to dump specific slot 中可以看出，进程中总会有 1088 个槽位，而且当前主线程 5aa8 拥有 27 个 slot 槽位。

好了，基本概念介绍完了，接下来准备分析一下汇编代码了。 

2. 从汇编代码中寻找答案

为了更好的用 windbg 去挖，我就定义一个简单的 ThreadStatic int 变量，代码如下：

    class Program
    {
        [ThreadStatic]
        public static int i = 0;

        static void Main(string[] args)
        {
            i = 10;   // 12 line

            var num = i;

            Console.ReadLine();
        }
    }
 

接下来用 !U 反汇编一下 Main 函数的代码，着重看一下第 12 行代码的 i = 10;。

0:000> !U /d 00007ffbe0ae0ffb
E:\net5\ConsoleApp5\ConsoleApp5\Program.cs @ 12:
00007ffb`e0ae0fd6 48b9b0fbb7e0fb7f0000 mov rcx,7FFBE0B7FBB0h
00007ffb`e0ae0fe0 ba01000000      mov     edx,1
00007ffb`e0ae0fe5 e89657a95f      call    coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase (00007ffc`40576780)
00007ffb`e0ae0fea c7401c0a000000  mov     dword ptr [rax+1Ch],0Ah
 

从汇编指令上来看，最后的 10 赋给了 rax+1Ch 的低32位，那 rax 的地址从哪里来的呢？可以看出核心逻辑在 JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase 方法内，接下来就得研究一下这个方法都干嘛了。 

3. 调试核心函数 JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase

接下来在第 12 处设置一个断点 !bpmd Program.cs:12 处，方法的简化汇编代码如下：

    coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase:
00007ffc`2c38679a 448b0dd7894300         mov     r9d, dword ptr [coreclr!_tls_index (00007ffc`2c7bf178)]
00007ffc`2c3867a1 654c8b042558000000     mov     r8, qword ptr gs:[58h]
00007ffc`2c3867aa b908000000             mov     ecx, 8
00007ffc`2c3867af 4f8b04c8               mov     r8, qword ptr [r8+r9*8]
00007ffc`2c3867b3 4e8b0401               mov     r8, qword ptr [rcx+r8]
00007ffc`2c3867b7 493b8060040000         cmp     rax, qword ptr [r8+460h]
00007ffc`2c3867be 732b                   jae     coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b (00007ffc`2c3867eb)
00007ffc`2c3867c0 4d8b8058040000         mov     r8, qword ptr [r8+458h]
00007ffc`2c3867c7 498b04c0               mov     rax, qword ptr [r8+rax*8]
00007ffc`2c3867cb 4885c0                 test    rax, rax
00007ffc`2c3867ce 741b                   je      coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b (00007ffc`2c3867eb)
00007ffc`2c3867d0 8bca                   mov     ecx, edx
00007ffc`2c3867d2 f644011801             test    byte ptr [rcx+rax+18h], 1
00007ffc`2c3867d7 7412                   je      coreclr!JIT_GetSharedNonGCThreadStaticBase+0x6b (00007ffc`2c3867eb)
00007ffc`2c3867d9 488b4c2420             mov     rcx, qword ptr [rsp+20h]
00007ffc`2c3867de 4833cc                 xor     rcx, rsp
00007ffc`2c3867e1 e89a170600             call    coreclr!__security_check_cookie (00007ffc`2c3e7f80)
00007ffc`2c3867e6 4883c438               add     rsp, 38h
00007ffc`2c3867ea c3                     ret  
 

接下来我仔细分析下这里的 mov 操作。 

1) dword ptr [coreclr!_tls_index (00007ffc`2c7bf178)]

这个很简单，获取该线程专属的 tls_index 索引 

2) qword ptr gs:[58h]

这里的 gs:[58h] 是什么意思呢？应该有朋友知道，gs寄存器 是专门用于存放当前线程的 teb 地址，后面的 58 表示在 teb 地址上的偏移量，那问题来了，这个地址到底指向谁了呢？其实你可以把 teb 的数据结构给打印出来就明白了。

0:000> dt teb
coreclr!TEB
   +0x000 NtTib            : _NT_TIB
   +0x038 EnvironmentPointer : Ptr64 Void
   +0x040 ClientId         : _CLIENT_ID
   +0x050 ActiveRpcHandle  : Ptr64 Void
   +0x058 ThreadLocalStoragePointer : Ptr64 Void
   +0x060 ProcessEnvironmentBlock : Ptr64 _PEB
   ...
 

上面这句 +0x058 ThreadLocalStoragePointer : Ptr64 Void 可以看出，其实就是指向 ThreadLocalStoragePointer 。 

3) qword ptr [r8+r9*8]

有了前两步的基础，这句汇编就很简单了，它做了一个索引操作: ThreadLocalStoragePointer[tls_index] ，对不对，从而获取属于该线程的 tls 内容，这个 ThreadStatic 的变量就会存放在这个数组的某一个内存块中。