如何避免使用CreateThread函数导致的内存泄露

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前阵子翻了翻候杰老师翻译的那本Win32多线程的书，老书了，很经典。

    书里提到，当使用C/C++的时候，有些情况下CreateThread会导致内存泄露，建议使用_beginthread和_beginthreadex。这种泄露网上也有不少帖子在讲。

    事实上，这种泄露的可能是存在的，但是只要稍微注意一下，是可以找到方法避免的。

 

 

CreateThread导致内存泄露的原因

 

    这得从C运行时库说起了。

    VC运行时库，有一个宏errno，用来获得上一步操作的错误码，类似于Win32中的GetLastError()函数。在多线程环境下，不同线程调用errno返回的都是caller线程的错误码，绝对不会混淆，这是因为使用了TLS技术。

    TLS，Thread Local Storage，是用来存取线程相关数据的一种技术，在Win32中由操作系统的Tls*系列函数提供支持。例如，可以在程序开始的地方调用TlsAlloc()函数，获得一个TLS index，这个index在进程范围内有效，然后可以创建n个线程，在每个线程中使用TlsSetValue(index,data)将线程相关数据和index关联起来，使用TlsGetValue(index)来获取当前线程和index相关联的的线程相关数据。

    查看msdn可以发现，Tls*函数的定义如下：

 DWORD WINAPI TlsAlloc(void);

 BOOL WINAPI TlsSetValue(
   __in          DWORD dwTlsIndex,
   __in          LPVOID lpTlsValue
 );

 LPVOID WINAPI TlsGetValue(
   __in          DWORD dwTlsIndex
 );

 BOOL WINAPI TlsFree(
   __in          DWORD dwTlsIndex
 );

    观察TlsSetValue/TlsGetValue的原型可以发现，与index关联的数据只能是void *类型，因此通常的做法是在线程开始的时候，为这个线程分配一块内存，用于存储所有与线程相关的数据，然后把这块内存的起始地址与index关联起来。如果这块内存在线程退出的时候没有释放掉，那就有内存泄露的危险。

 

    回到errno，来看看C运行时库是如何实现errno的。

    errno的声明和实现如下：

 /* error.h - errno的声明 */
 _CRTIMP extern int * __cdecl _errno(void);
 #define errno   (*_errno())

 /* dosmap.c - errno的实现 */
 int * __cdecl _errno(
         void
         )
 {
     _ptiddata ptd = _getptd_noexit();
     if (!ptd) {
         return &ErrnoNoMem;
     } else {
         return ( &ptd->_terrno );
     }
 }

    观察_errno的代码，函数首先调用了_getptd_noexit()函数，这个函数的代码如下：

 /* tiddata.c - _getptd_noexit()实现 */
 _ptiddata __cdecl _getptd_noexit (
         void
         )
 {
     _ptiddata ptd;
     DWORD   TL_LastError;

     TL_LastError = GetLastError();

 #ifdef _M_IX86

     /*
      * Initialize FlsGetValue function pointer in TLS by calling __set_flsgetvalue()
      */

     if ( (ptd = (__set_flsgetvalue())(__flsindex)) == NULL ) {
 #else  /* _M_IX86 */
     if ( (ptd = FLS_GETVALUE(__flsindex)) == NULL ) {
 #endif  /* _M_IX86 */
         /*
          * no per-thread data structure for this thread. try to create
          * one.
          */
 #ifdef _DEBUG
         extern void * __cdecl _calloc_dbg_impl(size_t, size_t, int, const char *, int, int *);
         if ((ptd = _calloc_dbg_impl(1, sizeof(struct _tiddata), _CRT_BLOCK, __FILE__, __LINE__, NULL)) != NULL) {
 #else  /* _DEBUG */
         if ((ptd = _calloc_crt(1, sizeof(struct _tiddata))) != NULL) {
 #endif  /* _DEBUG */

             if (FLS_SETVALUE(__flsindex, (LPVOID)ptd) ) {

                 /*
                  * Initialize of per-thread data
                  */

                 _initptd(ptd,NULL);

                 ptd->_tid = GetCurrentThreadId();
                 ptd->_thandle = (uintptr_t)(-1);
             }
             else {

                 /*
                  * Return NULL to indicate failure
                  */

                 _free_crt(ptd);
                 ptd = NULL;
             }
         }
     }

     SetLastError(TL_LastError);

     return(ptd);
 }

    _getptd_noexit()函数首先通过TLS查找线程相关数据，如果没有找到，就分配一块内存，存放_tiddata结构，并将这块内存与__flsindex相关联。由此可见，errno的确使用了TLS技术，而且通过查找_getptd_noexit() 可以发现，VC运行时库中很多很多函数都使用了TLS，errno只不过是其中的一个典型。

 

    可以猜测一下，当使用CreateThread函数创建线程后，线程函数并不会做C运行时库的初始化，而当线程函数调用errno或localtime或其他需要TLS支持的函数时，这些函数会调用_getptd_noexit()函数初始化一个VC运行时库的TLS数据，当线程函数退出时，这块内存不会自动释放，因此产生了泄漏。

 

    接下来看一下_beginthread/_beginthreadex函数，看看这两个函数如何处理TLS数据：

 

 _MCRTIMP uintptr_t __cdecl _beginthread (
         void (__CLRCALL_OR_CDECL * initialcode) (void *),
         unsigned stacksize,
         void * argument
         )
 {
         _ptiddata ptd;

         ...

         __set_flsgetvalue();

         if ( (ptd = (_ptiddata)_calloc_crt(1, sizeof(struct _tiddata))) == NULL )
         {
             ...
         }

         ...

         ptd->_initaddr = (void *) initialcode;
         ptd->_initarg = argument;

         ...

         if ( (ptd->_thandle = thdl = (uintptr_t)
               CreateThread( NULL,
                             stacksize,
                             _threadstart,
                             (LPVOID)ptd,
                             CREATE_SUSPENDED,
                             (LPDWORD)&(ptd->_tid) ))
              == (uintptr_t)0 )
         {
                 ...
         }

         if ( ResumeThread( (HANDLE)thdl ) == (DWORD)(-1) ) {
                 ...
         }

         ...
 }

 static unsigned long WINAPI _threadstart (
         void * ptd
         )
 {
         _ptiddata _ptd;

         ...

         if ( (_ptd = (_ptiddata)__fls_getvalue(__get_flsindex())) == NULL)
         {
             if ( !__fls_setvalue(__get_flsindex(), ptd) )
             {
                 ExitThread(GetLastError());
             }
         }
         else
         {
             ..
         }

         ...

         _callthreadstart();

         return(0L);
 }

 static void _callthreadstart(void)
 {
     _ptiddata ptd;

     ptd = _getptd();


     __try
     {
         ( (void(__CLRCALL_OR_CDECL *)(void *))(((_ptiddata)ptd)->_initaddr) )
             ( ((_ptiddata)ptd)->_initarg );

         _endthread();
     }
     __except ( ... )
     {
         ...
     }
 }

 void __cdecl _endthread (
         void
         )
 {
         _ptiddata ptd;

         ptd = _getptd_noexit();
         if (ptd) {
             if ( ptd->_thandle != (uintptr_t)(-1) )
                     (void) CloseHandle( (HANDLE)(ptd->_thandle) );
             _freeptd(ptd);
         }

         ExitThread(0);
 }

 

    以_beginthread函数为例，如上所示的精简后的代码，整个流程如下：

      1. 分配一块内存ptd用于存储_tiddata，并将之初始化，用户所指定的线程函数和参数被存放于ptd中

      2. 创建线程，线程的启动函数为_threadstart函数，参数为ptd

      3.  _threadstart函数在将ptd设置为TLS数据后，调用_callthreadstart()函数

      4. _callthreadstart()函数调用用户指定的线程函数，并传入用户指定的参数，然后调用_endthread()函数

      5. _endthread()中，调用_freeptd(ptd)，释放步骤1中分配的ptd

 

    由此可见：

      1. 使用_beginthread(ex)的理由在于这个函数对CRT的TLS数据进行了适当的分配和释放操作，避免内存泄露

      2. 内存泄露存在的原因，是由CreateThead创建的线程不会去检查CRT的TLS数据是否需要释放

 

 

适当的处理

 

    在了解了CreateThread导致内存泄露的原因后，我简单考虑了一下避免这种内存泄露的方法。

 

    首先老老实实的使用_beginthead(ex)函数，是最稳妥的办法。

    其次能否避免使用CRT中依赖TLS的函数呢？

    也许可以，但是我们所书写的代码，不完全是我们自己在用，而且我们CreateThead所创建的线程，也不一定跑的都是自己的代码，例如我们提供一个库给别人使用，难道还要特别说明不允许使用errno/localtime等函数么？因此这个方法是不建议的。

 

    如果我想用CreateProcess，或者我所使用的底层库使用的是CreateProcess函数，我又不可避免的会使用依赖于TLS的VC运行时库函数，有什么办法能保证ptd会被释放呢？

    我们可以自己释放ptd。前面的分析可以看出，_endthread()函数调用了_freeptd(ptd)来释放ptd，因此我们可以在线程函数的末尾显示的调用_endthread()或_endthreadex(retcode)函数来释放ptd。在查看了_freeptd函数的代码后，我发现如果传入参数是NULL，_freeptd函数释放的就是caller线程的ptd，因此也可以直接调用_freeptd来执行清理。

    另外，我们也可以自动释放ptd。在VC的工程属性中，可以选择运行时库的类型，如图：

    如果我们选择/MTd或/MDd，运行时库以动态方式链接，即我们的程序会使用传说中的msvcrt*.dll。在这个dll的入口函数中，会在DLL_THREAD_ATTACH时为attach的线程初始化TLS数据，在DLL_THREAD_DETACH时为detach的线程调用_freeptd函数执行清理。因此如果我们使用VC的动态库，使用CreateThread和使用_beginthread是同样安全的。

 

    总结一下，避免CreateThread引发泄露，大致有几种方法：

      1. 使用_beginthread/_beginthreadex函数创建线程

      2. 在线程函数return前，显示调用_endthread/_endthreadex函数

      3. 在线程函数return前，显示调用_freeptd(NULL)，此方法在C语言中有效

      4. 使用/MTd或/MDd参数

 

 

补充

    如果没有特殊的理由，一定不要使用TerminateThread函数来终止线程。在连接静态库的情况下，TerminateThread会使线程直接被终止，因此没有释放ptd的机会；在连接静态库的情况下，DLL_THREAD_DETACH只有在线程正常退出时才会产生，因此被终止的线程的ptd同样不会被释放。

    引用的代码请参考VC crt的源代码。

    由于分析得比较粗略，难免有错误，欢迎指正。