Question

我正在为非常小且静态链接的程序实现一小部分libc，我认为添加TLS支持将是一个很好的学习体验。我使用Ulrich Drepper's TLS document作为参考。

我设置了两个字符串来试试这个：

static __thread const char msg1[] = "TLS (1).\n"; /* 10 bytes */
static __thread const char msg2[] = "TLS (2).\n"; /* 10 bytes */

编译器生成以下指令以访问它们：

mov    rbx, QWORD PTR fs:0x0 ; Load TLS.
lea    rsi, [rbx-0x14]       ; Get a pointer to 'msg1'. 20 byte offset.
lea    rsi, [rbx-0xa]        ; Get a pointer to 'msg2'. 10 byte offset.

我们假设我将TCB放在堆栈的某个位置：

struct tcb {
    void* self; /* Points to self. I read that this was necessary somewhere. */
    int errno;  /* Per-thread errno variable. */
    int padding;
};

然后将TLS区域放在tls = &tcb - tls_size旁边。然后我将FS寄存器设置为fs = tls + tls_size，并将TLS初始化映像复制到tls。

然而，这不起作用。我已通过将tls_image的20个字节写入stdout来验证我是否正确找到了TLS初始化映像。这或者让我相信我错误地放置了TCB和/或TLS区域，或者说我不符合ABI。

我使用arch_prctl(2)设置FS寄存器。我是否需要以某种方式使用set_thread_area(2)？
我没有dtv。我假设这不是必要的，因为我是静态链接。

关于我做错了什么的任何想法？非常感谢！

Answer 1

我正在实现一个非常小且静态的libc的一小部分链接的程序，我认为添加TLS支持将是一个很好的学习经历。

很棒的主意！我必须在项目中实现自己的TLS，因为我无法使用任何常见的线程库，如pthread。我没有完全解决您的问题，但分享我的经验可能会有用。

再看看这个link，它可能会有用。

我使用arch_prctl（2）设置FS寄存器。我需要使用吗？ set_thread_area（2）不知何故？

答案取决于您实际使用的架构。如果您使用的是x86-64位，则应该使用arch_prctl专用来将FS寄存器设置为您要用作TLS的内存区域（它允许您处理大于4GB的内存区域）。对于x86-32，必须使用set_thread_area，因为它是内核支持的唯一系统调用。

我的实现背后的想法是为每个线程分配一个私有内存区域，并将其地址保存到%GS寄存器中。这是一个相当简单的方法，但在我的情况下，它运作得很好。每次要访问线程的私有区域时，只需要将%GS中保存的值和标识内存位置的偏移量用作基址。我通常为每个线程分配一个内存页面（4096），然后将它分成8个字节的块。所以，我为每个线程提供了512个私有内存插槽，可以像索引范围从0到511的数组一样访问。

这是我使用的代码：

＃

define _GNU_SOURCE 1 

#include "tls.h"
#include <asm/ldt.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <asm/prctl.h>
#include <sys/syscall.h> 
#include <unistd.h> 

void * install_tls() {
  void *addr = mmap(0, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE,
                       MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
  if (syscall(SYS_arch_prctl,ARCH_SET_GS, addr) < 0) 
      return NULL;

   return addr;
}

void freeTLS() {
    void *addr;
    syscall(SYS_arch_prctl,ARCH_GET_GS, &addr);  
    munmap(addr, 4096);
}

bool set_tls_value(int idx, unsigned long val) {
    if (idx < 0 || idx >= 4096/8) {
      return false;
    }
    asm volatile(
        "movq %0, %%gs:(%1)\n"
        :
        : "q"((void *)val), "q"(8ll * idx));
    return true;
}


unsigned long get_tls_value(int idx) {
    long long rc;
    if (idx < 0 || idx >= 4096/8) {
      return 0;
    }
    asm volatile(
        "movq %%gs:(%1), %0\n"
        : "=q"(rc)
        : "q"(8ll * idx));
    return rc;
  }

这是带有一些宏的标题：

#ifndef TLS_H
#define TLS_H

#include <stdbool.h>

void *install_tls(); 
void freeTLS();
bool set_tls_value (int, unsigned long); 
unsigned long get_tls_value(int ); 

/*
 *macros used to set and retrieve the values 
 from the tls area
*/ 

#define TLS_TID 0x0
#define TLS_FD  0x8 
#define TLS_MONITORED 0x10

#define set_local_tid(_x) \
    set_tls_value(TLS_TID, (unsigned long)_x)

#define set_local_fd(_x) \
    set_tls_value(TLS_FD, (unsigned long)_x)

#define set_local_monitored(_x) \
    set_tls_value(TLS_MONITORED, (unsigned long)_x)

#define get_local_tid() \
    get_tls_value(TLS_TID)

#define get_local_fd() \
    get_tls_value(TLS_FD)

#define get_local_monitored() \
    get_tls_value(TLS_MONITORED)



#endif /* end of include guard: TLS_H */

每个线程要完成的第一个操作是安装TLS内存区域。一旦TLS被初始化，每个线程就可以开始使用该区域作为私有TLS。

在自定义libc中实现线程本地存储

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