線程局部存儲(chǔ)(Thread Local Storage), 簡(jiǎn)稱TLS，提供了一種存儲(chǔ)線程私有數(shù)據(jù)的方式，每個(gè)線程的私有數(shù)據(jù)對(duì)其他線程均不可見。Chromium是一個(gè)多進(jìn)程多線程架構(gòu)的瀏覽器，運(yùn)行時(shí)會(huì)創(chuàng)建多達(dá)30幾個(gè)線程，其中很多線程需要擁有自己私有數(shù)據(jù)，在TLS數(shù)量有限的系統(tǒng)上，例如Android 4.3或更早的系統(tǒng)，可能會(huì)因?yàn)闊o法分配足夠的TLS而導(dǎo)致Chromium崩潰。本文將介紹最近在Chromium提交代碼中是如何解決這個(gè)問題的。

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TLS在Chromium中的使用

Chromium代碼中，有些類提供了一個(gè)current()方法用來返回調(diào)用線程的私有數(shù)據(jù)，最典型的兩個(gè)例子是MessageLoop和RenderThread。以MessageLoop為例，因?yàn)槊總€(gè)線程可能運(yùn)行著一個(gè)主消息循環(huán)，如何能夠獲取與線程相關(guān)的主消息循環(huán)呢？為此，MessageLoop提供了current()方法，當(dāng)線程在創(chuàng)建MessageLoop實(shí)例時(shí)，會(huì)將這個(gè)實(shí)例設(shè)置為線程的私有數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)用current()方法時(shí)，再將這個(gè)私有數(shù)據(jù)返回給調(diào)用者。

每個(gè)TLS槽都由一個(gè)唯一的鍵值（key）標(biāo)識(shí)，這個(gè)鍵值由進(jìn)程負(fù)責(zé)向OS申請(qǐng)分配，如果當(dāng)前進(jìn)程申請(qǐng)的鍵值數(shù)量超過系統(tǒng)規(guī)定的上限，申請(qǐng)將失敗，即無法獲取一個(gè)新的TLS槽。線程可以將TLS槽綁定到一個(gè)私有數(shù)據(jù)上，這個(gè)私有數(shù)據(jù)實(shí)際上是一個(gè)指針，指向一塊由調(diào)用線程動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存塊。

Chromium代碼中，對(duì)TLS的使用都抽象在ThreadLocalPointer模板類中（參見base/threading/thread_local.h文件）：

template <typename Type>
class ThreadLocalPointer {
 public:
  ThreadLocalPointer() : slot_() {
    internal::ThreadLocalPlatform::AllocateSlot(slot_);
  }

  ~ThreadLocalPointer() {
    internal::ThreadLocalPlatform::FreeSlot(slot_);
  }

  Type* Get() {
    return static_cast<Type*>(
        internal::ThreadLocalPlatform::GetValueFromSlot(slot_));
  }

  void Set(Type* ptr) {
    internal::ThreadLocalPlatform::SetValueInSlot(
        slot_, const_cast<void*>(static_cast<const void*>(ptr)));
  }

 private:
  typedef internal::ThreadLocalPlatform::SlotType SlotType;

  SlotType slot_;

  DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(ThreadLocalPointer<Type>);
};

其中SlotType是對(duì)TLS槽（鍵值）類型的抽象，internal::ThreadLocalPlatform是對(duì)特定平臺(tái)的TLS實(shí)現(xiàn)的抽象。例如，在POSIX系統(tǒng)上，ThreadLocalPlatform::AllocateSlot的實(shí)現(xiàn)為：

void ThreadLocalPlatform::AllocateSlot(SlotType& slot) {
  int error = pthread_key_create(&slot, NULL);
  CHECK_EQ(error, 0);
}

一般地，會(huì)結(jié)合LazyInstance使用ThreadLocalPointer，例如：

staticbase::LazyInstance<base::ThreadLocalPointer<RenderThread> >lazy_tls =
   LAZY_INSTANCE_INITIALIZER;
 
RenderThread* RenderThread::current() {
 return lazy_tls.Pointer()->Get();
}
 
RenderThread::RenderThread() {
 lazy_tls.Pointer()->Set(this);
}
 
RenderThread::~RenderThread() {
 lazy_tls.Pointer()->Set(NULL);
}

當(dāng)創(chuàng)建RenderThread實(shí)例時(shí)，當(dāng)前線程會(huì)通過訪問lazy_tls設(shè)置線程的私有數(shù)據(jù)，此后每次調(diào)用current()方法時(shí)，都會(huì)返回線程私有的RenderThread實(shí)例。

由于LazyInstance是延遲初始化的，上述代碼中，當(dāng)首次訪問Pointer()時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的ThreadLocalPointer實(shí)例，也就是向OS申請(qǐng)分配一個(gè)新的TLS槽。

潛在的問題

在三大桌面操作系統(tǒng)上（Windows/Linux/Mac）,上述對(duì)ThreadLocalPointer的封裝和實(shí)現(xiàn)都能工作的很好，但自從Chromium支持Android之后，潛伏在上述實(shí)現(xiàn)中的問題就浮出水面了。

如果一個(gè)線程中需要存儲(chǔ)多個(gè)私有數(shù)據(jù)，比如除了RenderThread實(shí)例，還有MessageLoop實(shí)例等等，每個(gè)都要系統(tǒng)分配給進(jìn)程的TLS鍵值，那么一旦鍵值的數(shù)據(jù)達(dá)到上限，申請(qǐng)失敗導(dǎo)致程序崩潰。這個(gè)問題已經(jīng)在Chromium WebView中暴露了，原因是Android 4.3或更老的系統(tǒng)，最大可用的TLS槽數(shù)量只有64個(gè)，除去Android系統(tǒng)庫(kù)（opengl，jvm）需要占用一部分之外，留給Chromium使用的數(shù)量已經(jīng)不多了，一旦發(fā)現(xiàn)分配不成功，Chromium會(huì)觸發(fā)CHECK，程序立即異常退出。Android 4.4系統(tǒng)上，最大可用的TLS槽數(shù)量多達(dá)128個(gè)，這個(gè)問題得到一定的緩解，但仍沒有從根本上杜絕這個(gè)問題。

解決方法

Chromium提供了一種新的方式解決上述問題，主要思路是Chromium自己管理TLS。

以POSIX系統(tǒng)為例，通過pthread_key_create創(chuàng)建的key對(duì)進(jìn)程內(nèi)所有的線程都可見，但每個(gè)線程可以綁定不同的私有數(shù)據(jù)到一個(gè)相同的key上，這就意味著整個(gè)Chromium可以共享同一個(gè)TLS槽，創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用層的TLS表來徹底解決系統(tǒng)級(jí)別TLS槽的數(shù)量限制。

具體來說，Chromium TLS系統(tǒng)會(huì)首先向OS申請(qǐng)一個(gè)key，每個(gè)線程都將為這個(gè)key綁定一張線程私有的TLS表，Chromium設(shè)置了這張表可以容納64個(gè)表項(xiàng)。當(dāng)線程需要一個(gè)新的TLS槽時(shí)，首先會(huì)檢查這個(gè)線程是否為key已經(jīng)綁定了TLS表，如果沒有，則需要?jiǎng)?chuàng)建這樣一個(gè)TLS表并將其設(shè)置為線程私有，然后從表中按順序取一個(gè)可用項(xiàng)，并設(shè)置新的私有數(shù)據(jù)。不難看出，新的TLS槽并不是向OS申請(qǐng)的，而是向Chromium TLS申請(qǐng)的。

ThreadLocalStorage模板類是新的ChromiumTLS系統(tǒng)中對(duì)TLS的抽象，StaticSlot和Slot封裝了初始化Chromium TLS系統(tǒng)，創(chuàng)建TLS表以及設(shè)置和獲取線程私有數(shù)據(jù)的操作。因此，上述ThreadLocalPointer模板類將從直接使用ThreadLocalPlatform操作TLS，應(yīng)改為使用ThreadLocalStorage::Slot, 如下：

template <typename Type>
class ThreadLocalPointer {
 public:
  ThreadLocalPointer() {}
  ~ThreadLocalPointer() { slot_.Free(); }
  Type* Get() {
    return static_cast<Type*>(slot_.Get());
  }
  void Set(Type* ptr) {
    slot_.Set(const_cast<void*>(static_cast<const void*>(ptr)));
  }
 private:
  ThreadLocalStorage::Slot slot_;

  DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(ThreadLocalPointer<Type>);
};

再次強(qiáng)調(diào)，ThreadLocalStorage::Slot只是向Chromium TLS系統(tǒng)申請(qǐng)可用的TLS槽，而不是向系統(tǒng)直接申請(qǐng)。

更多信息

• Chromium項(xiàng)目的bug列表里已經(jīng)報(bào)告了這個(gè)問題，參見這里。

• Chromium TLS實(shí)現(xiàn)是最近才提交到Chromium代碼庫(kù)中的，參見這里。

• Android源代碼中對(duì)TLS槽數(shù)量的定義在BIONIC_TLS_SLOTS宏常量中，見Android 4.3和Android 4.4。

• 關(guān)于Chromium TLS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，感興趣的讀者可讀讀base/threading/thread_local_storage.h/cc等源文件。

• 關(guān)于pthread_key_create，參見Linux Man Page。

標(biāo)題名稱：ChromiumonAndroid:Chromium線程局部存儲(chǔ)系統(tǒng)
分享路徑：http://jinyejixie.com/article48/poedhp.html

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