Win32多线程编程(5) ― 线程局部存储

Win32多线程编程(5) ― 线程局部存储
2010年08月11日
　　预留内存携带附加信息的设计
　　有时候，将数据与一个对象的实例关联起来是很有帮助的。这种设计要求预留一定的内存，一倍特定附加数据的存储。
　　通过调用SetWindowWord或SetWindowLong函数将数据与一个指定的窗口关联起来，数据保存在窗口附加内存块中。窗口内存块即是一种窗口对象（HWND）的附加数据（window extra bytes），参考WNDCLASS.cbWndExtra字段（Specifies the number of extra bytes to allocate following the window instance.）。
　　这种预留附加的设计，在MFC中处处可见。对于下拉选择列表（CComboBox）、下拉列表框、列表视图和树控件，我们不光希望其能显示条目内容（item text），还希望每个条目能够携带附加信息，即存储额外的关联数据（item data），以备不时之需。这四个控件都提供了SetItemData/GetItemData接口，供用户储存关联数据。存储的数据为DWORD值类型，可以是简单的数值，也可以存储指针。
　　线程消息队列和_ptiddata
　　我们在编写第一个SDK窗口程序时，就接触到了消息这一重要概念。实际上，消息队列是一种线程私有数据，每一个Windows程序的UI（CUI/GUI）线程都维持了一个消息队列。GetMessage、TranslateMessage、DispatchMessage等对消息的操作都是与调用线程的消息队列息息相关。PostThreadMessage是线程消息投递函数，它向一个指定ID（idThread）的线程发送一条消息，然后不等处理立即返回。这个API在多线程架构程序中非常有用。PostQuitMessage是结束线程运行，相当于nExitCode作为WM_QUIT消息参数调用PostThreadMessage。调用线程收到该消息后即ExitThread，故该函数一般用来响应WM_DESTROY消息。
　　尽管秉持封装的原则，我们极力强调避免使用全局变量，但全局变量对于进程级和线程级的系统统筹管理却是非常有用。除了消息队列这种系统内置的线程私有数据外，Windows提供了线程局部存储系统（TLS，Thread Local Storage），为用户提供了存储与线程关联数据的接口。前面提到的_beginthreadex中分配的_ptiddata（pointer to per-thread data），即使用了TLS。_ptiddata为Windows平台的多线程程序中，strtok、strerror（errno）等依赖全局变量或静态变量的CRT函数的实现提供了有效的解决方案。
　　Win32线程局部存储系统
　　用于管理 TLS 的数据结构是很简单的，Windows仅为系统中的每一个进程维护一个位数组，再为该进程中的每一个线程申请一个同样长度的数组空间，如下图所示。
　　
　　在Windbg中，可以窥探TEB中的TLS数据结构。
　　lkd> dt _teb
　　nt!_TEB
　　+0x02c ThreadLocalStoragePointer : Ptr32 Void
　　+0xe10 TlsSlots         : [64] Ptr32 Void
　　+0xf10 TlsLinks         : _LIST_ENTRY 
　　+0xf94 TlsExpansionSlots : Ptr32 Ptr32 Void
　　typedef struct _TEB// 66 elements, 0xFB8 bytes (sizeof)
　　{
　　// ……
　　/*0x02C*/     VOID*        ThreadLocalStoragePointer;
　　// ……
　　/*0xE10*/     VOID*        TlsSlots[64];
　　/*0xF10*/     struct _LIST_ENTRY TlsLinks; // 2 elements, 0x8 bytes (sizeof)
　　// ……
　　/*0xF94*/     VOID**       TlsExpansionSlots;
　　// ……
　　}TEB, *PTEB;
　　当一个线程被创建时，Windows就会在进程地址空间中为该线程分配一个长度为TLS_MINIMUM_AVAILABLE的数组，数组成员的值都被初始化为 0。在内部，系统将此数组与该线程关联起来，保证只能在该线程中访问此数组中的数据。如上图所示，每个线程都有它自己的数组，数组成员可以存储任何数据。
　　运行在系统中的每一个进程都有上图所示的一个位数组。位数组的成员是一个标志，每个标志的值被设为FREE或INUSE，指示了此标志对应的数组索引是否在使用中。Windows 保证至少有TLS_MINIMUM_AVAILABLE（定义在WinNT.h文件中）个标志位可用。
　　动态使用TLS典型步骤如下。
　　（1）主线程调用TlsAlloc函数为线程局部存储分配索引，函数原型如下。
　　DWORDTlsAlloc(VOID);
　　TlsAlloc为我们预订了一个索引。如果TlsAlloc返回的索引为3，那等于说索引3已经被我们预订了，无论是进程中当前正在运行的线程，还是今后可能会创建的线程，都不能再使用索引3。
　　（2）每个线程调用TlsSetValue和TlsGetValue设置或读取线程数组中的值，这两个函数的原型如下。
　　BOOLTlsSetValue(
　　DWORDdwTlsIndex,  // TLS index
　　LPVOIDlpTlsValue  // value to store
　　);
　　LPVOIDTlsGetValue(
　　DWORDdwTlsIndex   // TLS index
　　);
　　（3）主线程调用TlsFree释放局部存储索引。函数的惟一参数是TlsAlloc返回的索引。
　　BOOLTlsFree(
　　DWORDdwTlsIndex   // TLS index
　　);
　　MFC中的线程局部存储
　　如果你需要大量的数据贯穿一个线程，普通的TLS索引一个值就会变得不实用，Windows的TLS只允许用户保存一个32位的指针。如果需要用户保存任意类型的数据（包含整个类）。这个任意大小的数据所占的内存通常是在进程的堆中分配，所以当用户释放全局索引时，系统必须将每个线程内此数据占用的内存释放掉，这就要求系统把为各线程分配的内存都记录下来。较好的方法是将各个私有数据的首地址用一个链表连在一起，释放全局索引时只要遍历此链表，就可以逐个释放线程私有数据占用的空间了。
　　例如，有下面一个存放线程私有数据的数据结构。
　　struct CThreadData
　　{
　　CThreadData* pNext; // 指向下一个线程的CThreadData结构的指针
　　LPVOIDpData;       // 指向真正的线程私有数据的指针
　　};
　　指针 pData指向为线程分配的内存的首地址，指针pNext将各线程的数据连在了一起。这实际上是一种二级指针的分槽存储。MFC的线程局部存储类CThreadLocal即实现了二级指针的分槽存储。
　　MFC框架的状态信息也是理解的难点，包括模块状态AFX_MODULE_STATE、线程状态_AFX_THREAD_STATE和模块线程状态AFX_MODULE_THREAD_STATE。这些线程级别的全局状态维持即使用了线程局部存储（TLS）。参考李久进著作的《MFC深入浅出》第九章《MFC的状态》。 由于MFC广泛地应用了线程局部存储，故在MFC下，使用线程必须格外小心。许多MFC对象仅在创建它们的线程内运作。一般地，具有句柄映射的任何对象都不能从其他线程访问该对象。例如，模块线程状态AFX_MODULE_THREAD_STATE中的CHandleMap* m_pmapHWND映射记录了MFC线程中创建的CWnd对象实例与内核窗口句柄（HWND）之间的映射消息。内核窗口句柄是可以进程访问级别，因此可跨线程访问。但是试图传递CWnd对象实例以期跨线程操作，往往失败。因为另一个引用线程并未像创建线程那样维系一个映射，所以当需要CWndàHWND以执行API操作时，往往找不到其所指窗口。
　　针对以上问题，通常优先传送句柄，避免在线程之间传送MFC对象。在引用线程中将其转换为临时MFC对象。例如，假设线程 A创建一个CWnd对象。线程A并不将对象传送给线程B，而将该对象的m_hWnd成员传送给线程B。于是，线程B可以调用CWnd::FromHandle，以创建一个临时的CWnd对象。如果线程B需要更持久的连接，就可以使用Attach方法，在窗口及其CWnd对象之间建立持久的关联。
　　另外的一个常见问题是MFC对象访存的线程安全性问题。MFC对象不会自动在不同的线程之间做出判断。所以，如果两个线程试图同时访问同一个CString类的对象，结果可能受到严重破坏。只有防止来自有冲突的MFC对象的线程。通常，这将需要使用前面提到的同步机制，以保证多线程数据交换的一致性。
　　参考：
　　《为什么要用TLS》
　　《WIN32下线程和窗口的数据绑定》