Win32多线程编程(5) — 线程局部存储
預留內存攜帶附加信息的設計
有時候，將數據與一個對象的實例關聯起來是很有幫助的。這種設計要求預留一定的內存，一倍特定附加數據的存儲。
通過調用SetWindowWord或SetWindowLong函數將數據與一個指定的窗口關聯起來，數據保存在窗口附加內存塊中。窗口內存塊即是一種窗口對象（HWND）的附加數據（window extra bytes），參考WNDCLASS.cbWndExtra字段（Specifies the number of extra bytes to allocate following the window instance.）。
這種預留附加的設計，在MFC中處處可見。對于下拉選擇列表（CComboBox）、下拉列表框、列表視圖和樹控件，我們不光希望其能顯示條目內容（item text），還希望每個條目能夠攜帶附加信息，即存儲額外的關聯數據（item data），以備不時之需。這四個控件都提供了SetItemData/GetItemData接口，供用戶儲存關聯數據。存儲的數據為DWORD值類型，可以是簡單的數值，也可以存儲指針。
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線程消息隊列和_ptiddata
我們在編寫第一個SDK窗口程序時，就接觸到了消息這一重要概念。實際上，消息隊列是一種線程私有數據，每一個Windows程序的UI（CUI/GUI）線程都維持了一個消息隊列。GetMessage、TranslateMessage、DispatchMessage等對消息的操作都是與調用線程的消息隊列息息相關。PostThreadMessage是線程消息投遞函數，它向一個指定ID（idThread）的線程發送一條消息，然后不等處理立即返回。這個API在多線程架構程序中非常有用。PostQuitMessage是結束線程運行，相當于nExitCode作為WM_QUIT消息參數調用PostThreadMessage。調用線程收到該消息后即ExitThread，故該函數一般用來響應WM_DESTROY消息。
盡管秉持封裝的原則，我們極力強調避免使用全局變量，但全局變量對于進程級和線程級的系統統籌管理卻是非常有用。除了消息隊列這種系統內置的線程私有數據外，Windows提供了線程局部存儲系統（TLS，Thread Local Storage），為用戶提供了存儲與線程關聯數據的接口。前面提到的_beginthreadex中分配的_ptiddata（pointer to per-thread data），即使用了TLS。_ptiddata為Windows平臺的多線程程序中，strtok、strerror（errno）等依賴全局變量或靜態變量的CRT函數的實現提供了有效的解決方案。
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Win32線程局部存儲系統
用于管理?TLS?的數據結構是很簡單的，Windows僅為系統中的每一個進程維護一個位數組，再為該進程中的每一個線程申請一個同樣長度的數組空間，如下圖所示。
????在Windbg中，可以窺探TEB中的TLS數據結構。
lkd> dt _teb
nt!_TEB
???+0x02c ThreadLocalStoragePointer : Ptr32 Void
???+0xe10 TlsSlots?????????: [64] Ptr32 Void
???+0xf10 TlsLinks?????????: _LIST_ENTRY
???+0xf94 TlsExpansionSlots : Ptr32 Ptr32 Void
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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;
當一個線程被創建時，Windows就會在進程地址空間中為該線程分配一個長度為TLS_MINIMUM_AVAILABLE的數組，數組成員的值都被初始化為?0。在內部，系統將此數組與該線程關聯起來，保證只能在該線程中訪問此數組中的數據。如上圖所示，每個線程都有它自己的數組，數組成員可以存儲任何數據。
運行在系統中的每一個進程都有上圖所示的一個位數組。位數組的成員是一個標志，每個標志的值被設為FREE或INUSE，指示了此標志對應的數組索引是否在使用中。Windows?保證至少有TLS_MINIMUM_AVAILABLE（定義在WinNT.h文件中）個標志位可用。
動態使用TLS典型步驟如下。
（1）主線程調用TlsAlloc函數為線程局部存儲分配索引，函數原型如下。
DWORD?TlsAlloc(VOID);
TlsAlloc為我們預訂了一個索引。如果TlsAlloc返回的索引為3，那等于說索引3已經被我們預訂了，無論是進程中當前正在運行的線程，還是今后可能會創建的線程，都不能再使用索引3。
（2）每個線程調用TlsSetValue和TlsGetValue設置或讀取線程數組中的值，這兩個函數的原型如下。
BOOL?TlsSetValue(
???????????????DWORD?dwTlsIndex,??// TLS index
???????????????LPVOID?lpTlsValue??// value to store
);
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LPVOID?TlsGetValue(
?????????????????DWORD?dwTlsIndex???// TLS index
);
（3）主線程調用TlsFree釋放局部存儲索引。函數的惟一參數是TlsAlloc返回的索引。
BOOL?TlsFree(
????????????DWORD?dwTlsIndex???// TLS index
????????????);
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MFC中的線程局部存儲
如果你需要大量的數據貫穿一個線程，普通的TLS索引一個值就會變得不實用，Windows的TLS只允許用戶保存一個32位的指針。如果需要用戶保存任意類型的數據（包含整個類）。這個任意大小的數據所占的內存通常是在進程的堆中分配，所以當用戶釋放全局索引時，系統必須將每個線程內此數據占用的內存釋放掉，這就要求系統把為各線程分配的內存都記錄下來。較好的方法是將各個私有數據的首地址用一個鏈表連在一起，釋放全局索引時只要遍歷此鏈表，就可以逐個釋放線程私有數據占用的空間了。
例如，有下面一個存放線程私有數據的數據結構。
struct?CThreadData
{
????CThreadData*?pNext;?//?指向下一個線程的CThreadData結構的指針
????LPVOID?pData;???????//?指向真正的線程私有數據的指針
};
指針?pData指向為線程分配的內存的首地址，指針pNext將各線程的數據連在了一起。這實際上是一種二級指針的分槽存儲。MFC的線程局部存儲類CThreadLocal即實現了二級指針的分槽存儲。
MFC框架的狀態信息也是理解的難點，包括模塊狀態AFX_MODULE_STATE、線程狀態_AFX_THREAD_STATE和模塊線程狀態AFX_MODULE_THREAD_STATE。這些線程級別的全局狀態維持即使用了線程局部存儲（TLS）。參考李久進著作的《MFC深入淺出》第九章《MFC的狀態》。
由于MFC廣泛地應用了線程局部存儲，故在MFC下，使用線程必須格外小心。許多MFC對象僅在創建它們的線程內運作。一般地，具有句柄映射的任何對象都不能從其他線程訪問該對象。例如，模塊線程狀態AFX_MODULE_THREAD_STATE中的CHandleMap*?m_pmapHWND映射記錄了MFC線程中創建的CWnd對象實例與內核窗口句柄（HWND）之間的映射消息。內核窗口句柄是可以進程訪問級別，因此可跨線程訪問。但是試圖傳遞CWnd對象實例以期跨線程操作，往往失敗。因為另一個引用線程并未像創建線程那樣維系一個映射，所以當需要CWndàHWND以執行API操作時，往往找不到其所指窗口。
針對以上問題，通常優先傳送句柄，避免在線程之間傳送MFC對象。在引用線程中將其轉換為臨時MFC對象。例如，假設線程?A創建一個CWnd對象。線程A并不將對象傳送給線程B，而將該對象的m_hWnd成員傳送給線程B。于是，線程B可以調用CWnd::FromHandle，以創建一個臨時的CWnd對象。如果線程B需要更持久的連接，就可以使用Attach方法，在窗口及其CWnd對象之間建立持久的關聯。
另外的一個常見問題是MFC對象訪存的線程安全性問題。MFC對象不會自動在不同的線程之間做出判斷。所以，如果兩個線程試圖同時訪問同一個CString類的對象，結果可能受到嚴重破壞。只有防止來自有沖突的MFC對象的線程。通常，這將需要使用前面提到的同步機制，以保證多線程數據交換的一致性。
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參考：
《為什么要用TLS》
《WIN32下線程和窗口的數據綁定》
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Win32多线程编程(5) — 线程局部存储的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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