动态链接器（十一）：线程局部存储

1. TLS 基本概念

Thread-Local Storage (TLS) 是一种允许每个线程拥有其私有全局变量或静态变量副本的机制。

在 ELF 文件中，所有 TLS 变量都被组织在一个由 PT_TLS 程序头（Program Header）描述的段（Segment）中。这个段并不直接用于运行时的变量访问，而是作为镜像模板，用于在线程创建时初始化该线程的私有存储空间。

PT_TLS 段通常包含两个关键的节（Section）：

.tdata: 包含已显式初始化的 TLS 变量。它在 ELF 文件中占据实际空间，并在线程启动时被拷贝到线程的 TLS 块中。
.tbss: 包含未初始化（或初始化为零）的 TLS 变量。它在 ELF 文件中不占用磁盘空间（仅记录长度），在运行时会被映射并清零。

2. TLS 的四种访问模型

根据变量定义的地点和访问发生的地点，TLS 访问分为四种模型（从高性能到高通用性排序）：

Local Executable (LE):

场景：主程序访问其自身定义的 TLS 变量。
处理：偏移量在链接时已确定，CPU 通过线程指针（TP）加上固定的偏移量直接访问。

Initial Executable (IE):

场景：主程序访问静态链接库或加载时已载入的动态库中的 TLS 变量。
处理：加载器在程序启动时计算偏移，并填入 GOT 表。通过 TP + GOT 条目值访问。

Local Dynamic (LD):

场景：动态库内部访问其自身定义的 TLS 变量。
处理：通过调用 __tls_get_addr 获取当前模块的 TLS 基址，再加上模块内偏移。

General Dynamic (GD):

场景：从外部访问动态加载（如 dlopen）模块中的 TLS 变量。
处理：最通用的模型，必须通过 __tls_get_addr(module_id, offset) 获取地址。

3. Relink的 TLS 处理流程

Relink的默认实现只支持使用LD和GD这两种TLS模型的ELF文件的加载，但支持所有TLS相关的重定位。有关Relink的介绍可以看下面这篇文章：

(3 封私信) Relink：Rust ELF 加载器与 Runtime/JIT 链接器 - 知乎https://zhuanlan.zhihu.com/p/25152394738

3.1 加载与__tls_get_addr的实现

在解析 ELF 文件阶段，加载器会识别 PT_TLS 段，如果存在TLS段，加载器会注册TLS段的相关信息到全局中，并获得一个全局唯一的ModuleID，以便任何线程在需要时都能找到对应的初始化数据。

对于LD和GD来说__tls_get_addr的实现至关重要，下面是__tls_get_addr函数的相关定义：

rust 复制代码

extern "C" fn tls_get_addr(ti: *const TlsIndex) -> *mut u8;

#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct TlsIndex {
    pub ti_module: usize,
    pub ti_offset: usize,
}

ti_module：有TLS段的ELF文件对应的ID，这个ID是唯一的。
ti_offset：要访问的变量在TLS区域中的偏移。TLS区域由.tdata和.tbss组成，每个线程有自己独有的TLS区域，偏移从0开始。

__tls_get_addr的基本流程：

为了支持动态加载的 TLS，每个线程维护一个 ThreadDtv 结构，它本质上是一个指针数组，索引是 ModuleID（ti_module其实就对应ModuleID）。且这个ThreadDtv是运行时创建的------当__tls_get_addr 被调用时，Relink会获得thread id，然后检测当前thread id对应的ThreadDtv是否已经创建，若未创建，则会在此时创建。
之后Relink会通过 GLOBAL_GENERATION 计数器检测ThreadDtv是否是最新状态，即检测是否有动态库加载或卸载，从而自动更新线程对应 DTV。
更新完DTV后，检查ti_module对应的 TLS 块是否分配，如果还没有分配，加载器会现场分配内存、拷贝模板数据并清零 BSS 区。
返回TLS变量对应的地址。即当前线程对应的TLS区域的基地址 + ti_offset。

3.2 TLS相关的重定位类型的处理

在符号链接阶段，Relink处理以下 TLS 相关的重定位，以X86-64为例：

R_X86_64_DTPMOD64：填入变量所在模块的 ModuleID。
R_X86_64_DTPOFF64：填入变量在该模块 TLS 块内部的偏移量。
R_X86_64_TPOFF64：处理静态 TLS 偏移，直接计算出相对于 TP 的固定位移。
R_X86_64_TLSDESC：现代的一种优化机制，加载器会填入一个解析函数指针和参数，允许硬件更高效地获取 TLS 地址。

LD和GD通常只会使用前两种重定位类型R_X86_64_DTPMOD64和R_X86_64_DTPOFF64，它们两填充的值分别对应前文的ti_module和ti_offset，在__tls_get_addr调用时会被使用。

IE需要配合R_X86_64_TPOFF64来使用，在处理R_X86_64_TPOFF64时，动态链接器会将TLS变量相较于TP的偏移写入GOT表中，这样配合编译器生成的代码就可以在运行时访问TLS变量了。

R_X86_64_TLSDESC比较特别，动态链接器在处理它时，会检测包含对应符号的动态库是否在程序一开始就被加载了，如果是，就可以避免__tls_get_addr这一套复杂的流程，直接使用TP加上偏移量来获得TLS变量对应的地址，若不是，最后还会走__tls_get_addr这套逻辑。