Linux线程之线程栈

我们接上一篇继续学习，这一篇的重点放在线程栈上。
   我们用过pthread_create接口，也用过pthread_self接口，请看manual中的声明： 

 #include <pthread.h>

        int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                           void *(*start_routine) (void *), void *arg);
        pthread_t pthread_self(void)

我们看到，pthread_create的第一个参数是pthread_t类型的指针，函数会将一个值填入该指针对应的内存？那么这个值是什么？pthread_self会返回一个pthread_t类型的值，它又是什么？传说中的GS寄存器和线程栈有神马关系？请看测试代码，还是相同的测试代码： 

 #include <stdio.h>
 #include <pthread.h>
 #include <sys/syscall.h>
 #include <assert.h>

 #define gettid() syscall(__NR_gettid)

 pthread_key_t key;
 __thread int count = 2222;
 __thread unsigned long long count2 ;
 static __thread int count3;
 void echomsg(char* string) {     printf("destructor excuted in thread %x,address (%p) param=%s\n",pthread_self(),string,string);     free(string); }

 void * child1(void *arg)
 {
     int b;
     int tid=pthread_self();

     printf("I am the child1 pthread_self return %p gettid return %d\n",tid,gettid());

     char* key_content = malloc(8);
     if(key_content != NULL)
     {
         strcpy(key_content,"ACACACA");
     }
     pthread_setspecific(key,(void *)key_content);

     count=666666;
     count2=1023;
     count3=2048;
     printf("I am child1 , tid=%x ,count (%p) = %8d,count2(%p) = %6llu,count3(%p) = %6d\n",tid,&count,count,&count2,count2,&count3,count3);
     asm volatile("movl %%gs:0, %0;"
             :"=r"(b) /* output */
             );

     printf("I am child1 , GS address %p\n",b);

     sleep(2);
     printf("thread %x returns %x\n",tid,pthread_getspecific(key));
     sleep(50);
 }

 void * child2(void *arg)
 {
     int b;
     int tid=pthread_self();

     printf("I am the child2 pthread_self return %p gettid return %d\n",tid,gettid());

     char* key_content = malloc(8);
     if(key_content != NULL)
     {
         strcpy(key_content,"ABCDEFG");
     }
     pthread_setspecific(key,(void *)key_content);
     count=88888888;
     count2=1024;
     count3=2047;
     printf("I am child2 , tid=%x ,count (%p) = %8d,count2(%p) = %6llu,count3(%p) = %6d\n",tid,&count,count,&count2,count2,&count3,count3);


     asm volatile("movl %%gs:0, %0;"
             :"=r"(b) /* output */
             );

     printf("I am child2 , GS address %p\n",b);

     sleep(1);
     printf("thread %x returns %x\n",tid,pthread_getspecific(key));
     sleep(50);
 }


 int main(void)
 {
     int b;
     pthread_t tid1,tid2;
     printf("hello\n");


     pthread_key_create(&key,echomsg);

     asm volatile("movl %%gs:0, %0;"
             :"=r"(b) /* output */
             );

     printf("I am the main , GS address %x\n",b);

     pthread_create(&tid1,NULL,child1,NULL);
     pthread_create(&tid2,NULL,child2,NULL);

     printf("pthread_create tid1 = %p\n",tid1);
     printf("pthread_create tid2 = %p\n",tid2);

     sleep(60);
     pthread_key_delete(key);
     printf("main thread exit\n");
     return 0;
 }

    中间嵌入了一段汇编代码，代码的本意是取出GS指示的段（对GS不了解的可以查看这篇博文， touch me）。我们看下输出：
   
我们惊奇的发现对于child1 
1 pthread_create第一参数返回pthread_t类型的值为0xb7530b40
2 pthread_self返回的pthread_t类型的值为 0xb7530b40
3 GS指示的段（GDT的第六个段）存储的内容还是  0xb7530b40
对于child2也有类似的情况，三者返回同一个值(每次执行，值都不一样，这是栈的随机化造成的，不必困扰，这三个值相同是我表达的重点)，what is the magic number mean？只能求助glibc。幸好我们有了源码。首先从pthread_create搞起。
    代码在nptl目录下的pthread_create.c下面，比较有意思的是居然没有一个函数叫pthread_create。

 __pthread_create_2_0
 __pthread_create_2_1
 compat_symbol (libpthread, __pthread_create_2_0, pthread_create, GLIBC_2_0)

七度黑光对这个问题有一篇专门的博文解释（ touch me），我就不纠缠细节了，总之，pthread_create_2_0调用了pthread_create_2_1，而后者才是真正干活的函数，参数都一样：

 int
 __pthread_create_2_1 (newthread, attr, start_routine, arg)
     pthread_t *newthread;
     const pthread_attr_t *attr;
     void *(*start_routine) (void *);
     void *arg
 {
      ...
     struct pthread *pd = NULL;
     int err = ALLOCATE_STACK (iattr, &pd);
      ....
     /* Pass the descriptor to the caller. */
     *newthread = (pthread_t) pd;

     /* Start the thread. */
     return create_thread (pd, iattr, STACK_VARIABLES_ARGS);


 }

看到了，newthread就是我们传入的地址，它在最后被赋值为pd，pd是在ALLOTCATE_STACK里面赋的值。
   ALLOCATE_STACK，我的智商不高，我也看出来它老人家用处是给线程分配栈的。比较下图，ALLOCATE_STACK之前和之后，虚拟地址空间变化。最主要的变化是多了8200KB的一块内存空间。这块区域是在allocate_stack（ALLOCATE_STACK是个宏，本质是allocate_stack函数）函数里面分配的。
    
    
    在分析这个allocate_stack之前，需要指出的一点是还没有调用clone系统调用，也就是还没到kernel呢，更没有分配task_struct等等。好，开始分析：

     struct pthread *pd;
     size_t size;
     size_t pagesize_m1 = __getpagesize () - 1;
     void *stacktop;

     assert (attr != NULL);
     assert (powerof2 (pagesize_m1 + 1));
     assert (TCB_ALIGNMENT >= STACK_ALIGN);

     /* Get the stack size from the attribute if it is set. Otherwise we
        use the default we determined at start time. */
     size = attr->stacksize ?: __default_stacksize;//此处决定了size是8M，如果user指定了stack_size此处会是用户指定的值。

     /* Get memory for the stack. */
     if (__builtin_expect (attr->flags & ATTR_FLAG_STACKADDR, 0))
     {
         ...
     }
     else
     {
         ...
     }

    加粗的一行含义是，如果用户指定了stacksize，用attr里面的指定值，否则，默认值。至于__default_stacksize可以通过ulimit -s查看。一般是8192KB。
    至于代码中的if/else，如果用户指定了stack的基址（pthread_attr_setstack）走入if分支，否则走入else分支，我们是普通青年，轻易不会干 pthread_attr_setstack这么妖娆的事情，所以我们走入else分支。  

         pd = get_cached_stack (&size, &mem);
         if (pd == NULL)
         {
             /* To avoid aliasing effects on a larger scale than pages we
                adjust the allocated stack size if necessary. This way
                allocations directly following each other will not have
                aliasing problems. */
 #if MULTI_PAGE_ALIASING != 0
             if ((size % MULTI_PAGE_ALIASING) == 0)
                 size += pagesize_m1 + 1;
 #endif

             mem = mmap (NULL, size, prot,
                     MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_STACK, -1, 0);

             if (__builtin_expect (mem == MAP_FAILED, 0))
                 return errno

   在尝试mmap分配之前，会首先使用get_cached_stack查找下，有没有现成可用的堆栈空间。说的这，有些筒子可能迷惑，啥叫现成可用的呢？我们创建了一个线程，然后线程完成了他的使命，线程退出了，但是线程退出并不意味这线程的堆栈就要释放。如果A线程退出后，我们又需要创建一个新线程B，那么我们就可以看看A线程的堆栈空间是否满足要求，满足要求的话我们就直接用了。这就是get_cached_stack的含义。
   这个例子告诉我们，线程退出之后，它占据的堆栈空间还在，如果这种属性不是我们期望的，NPTL提供了两个方法：首当其冲的是pthread_join。简单说叫起线程的这个主LWP可以调用pthread_join为线程收尸，销毁线程的资源。主LWP用pthread_create创建了线程，然后pthread_join为退出的线程销毁资源，有种白发人送黑发人的感觉。这种方法不好的地方在于阻塞，主LWP会堵在此处，直到线程推出。那第二个方法就是pthread_detach(pthread_self()),意思线程自己会把后事交代清楚，线程退出前，自会自我了断，该释放的资源都会释放。
   我们是初次创建线程，get_cached_stack自然是无功而返。但是MULTI_PAGE_ALIASING=64KB，我们的8M是64KB的整数倍，所以size=8M+4KB=8196KB。然后我们可以调用mmap了。  

 #if TLS_TCB_AT_TP
             pd = (struct pthread *) ((char *) mem + size - coloring) - 1;  //我们走这个分支，而pd将填入
                                                                            //pthread_create第一个参数指针对应的地址。
 #elif TLS_DTV_AT_TP
             pd = (struct pthread *) ((((uintptr_t) mem + size - coloring
                             - __static_tls_size)
                         & ~__static_tls_align_m1)
                     - TLS_PRE_TCB_SIZE);
 #endif

             /* Remember the stack-related values. */
             pd->stackblock = mem;
             pd->stackblock_size = size;

             /* We allocated the first block thread-specific data array.
                This address will not change for the lifetime of this
                descriptor. */
             pd->specific[0] = pd->specific_1stblock;

             /* This is at least the second thread. */
             pd->header.multiple_threads = 1

    后面有一段coloring的代码，完全看不明白，总之了，color的值决定了pthread_t这个返回值的位置。
   
   接下来的内容就是这几天折磨的哥死去活来的内容了，TLS，传说中的thread local storage。坦率讲，现在也不懂：    

 /* Allocate the DTV for this thread. */
             if (_dl_allocate_tls (TLS_TPADJ (pd)) == NULL)
             {
                 /* Something went wrong. */
                 assert (errno == ENOMEM);

                 /* Free the stack memory we just allocated. */
                 (void) munmap (mem, size);

                 return errno;
             }

    thread local storage是个啥意思呢。 请看我们的测试程序：

 __thread int count = 2222;
 __thread unsigned long long count2 ;
 static __thread int count3

    我们child1和child2分别修改了count，count2 count3,但是我们发现线程是并行不悖的，换句话说，每个线程有自己的count/count2/count3，从我的输出截图也可以看出来，child1线程的count地址和child2线程的count地址  不同  。这个效果的原因是我加了__thread关键字。介绍这个TLS之前，我先捏个软柿子。

 int pthread_key_create(pthread_key_t *key,
 void (*destructor) (void *));
 int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *value);
 int pthread_getspecific(pthread_key_t key);
 int pthread_key_delete(pthread_key_t *key)

    严格意义上讲，pthread_key_create+pthread_setspecific创建出来的变量也是也是TLS，每个线程也一样具有私有的地址空间，存在各自线程空间里面互不影响，但是这厮的地位明显不如__thread高。原因有二：1 太刻意了，不自然。谁愿意用个变量还得pthread_getspecific,不够cool，我等2B好青年不喜欢这种感觉 2 这种pthread_key_create搞出来的每线程变量个数终究有限。

 #define PTHREAD_KEY_MAX 1024

    key这个系列函数是啥意思呢？又是怎么实现的呢？
   首先pthread_key_create表示我要占个坑，最多是0～1023。到了真正调用 pthread_setspecific的时候，是怎么实现的呢？这时候需要看下struct pthread。我们知道，pthread_self返回的就是struct pthread的地址。OK我们看下pthread的定义：

 struct pthread
 {
   union   { #if !TLS_DTV_AT_TP     /* This overlaps the TCB as used for TLS without threads (see tls.h).  */     tcbhead_t header;   // tcb mean thread control blcok #else     struct     {       int multiple_threads;       int gscope_flag; # ifndef __ASSUME_PRIVATE_FUTEX       int private_futex; # endif     } header; #endif     void *__padding[24];   };
    ....
   struct pthread_key_data
   {
     ...
     uintptr_t seq;
     void *data;
   } specific_1stblock[PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE]; //PTHREAD_KEY_2NDLEVEL_SIZE=32

   struct pthread_key_data *specific[PTHREAD_KEY_1STLEVEL_SIZE];//PTHREAD_KEY_1STLEVEL_SIZE=32
   ...
   void *(*start_routine) (void *);   void *arg;   ...
   void *stackblock; //mmap分配的8192+4=8196KB的起始地址
   size_t stackblock_size; //8196KB
   size_t guardsize;
   size_t reported_guardsize;

   ...
   struct priority_protection_data *tpp;
 }

allocate_stack 函数：

    /* The first TSD block is included in the TCB.  */
        pd->specific[0] = pd->specific_1stblock;

    加粗的俩个结构用来实现pthread_key_XXX系列函数的。specific[0]这个指针指向pthread结构体内部的specific_1stblock,pthread结构体里面定义长度为32的pthread_key_data类型的数组，就像家里有32个酒杯。如果pthread_key_t类型的变量少于32个时候，pthread结构体里面酒杯就足够。就像家里来的客人少于32个，不需要出门买酒杯。很不幸，如果第33个客人到来，家里的就就不够了，必须出去买，一次买32个回来。注意32个酒杯是一组，其中specific记录的是每组酒杯的位置。比如我要找第53号酒杯，53/32=1 ，第一组（从0开始），先从specific[1]中找到第一组酒杯的位置，然后53%32=21,从第一组里面找到编号为21的酒杯。这种伎俩我们搞IT的都比较熟悉。

   好，软柿子终于捏完了，该捏核桃了。核桃就是前面提到的TLS，接口是__thread关键字。这种方法就自然多了，只要声明是__thread，后面引用变量就像引用普通变量。线程是如何做到的呢？我们下一篇再讨论。
    还没讨论的问题有GS寄存器是干啥的？ 进程切换（或者LWP切换更准确），发生了些什么？TLS到底是如何实现的？ 话说TLS的确是快硬核桃，我多次试图搞懂多次都失败，今天是不行了，要陪老婆散步去了。
   最后给出一个线程栈的图
   
    两篇参考文献都非常的好，其中第二篇博客给我的启发最大，正是这篇博文让我鼓起勇气再次探索TLS，然我这几天痛的死去活来。 

linux线程之线程栈.pdf

参考文献
1  Linux用户空间线程管理介绍之二：创建线程堆栈

2 关于Linux线程的线程栈以及TLS

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