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glibcのスレッドローカルストレージ - スレッドポインタ編

目次: C言語とlibc

前回はスレッドローカル変数のアドレス取得部分のコードを見て、tp（スレッドポインタ）レジスタが重要な役割をしていることがわかりました。今回はtpレジスタの初期化コードを見ます。

tpレジスタの初期化

レジスタの初期化は __libc_setup_tls() で行われます。少し長いですがコードを見ましょう。

TLSのメモリ領域確保とtpレジスタ初期化


// glibc/sysdeps/riscv/nptl/tls.h

/* The TP points to the start of the thread blocks.  */
# define TLS_DTV_AT_TP	1
# define TLS_TCB_AT_TP	0


// glibc/csu/libc-tls.c

void
__libc_setup_tls (void)
{
  void *tlsblock;

//...

  /* We have to set up the TCB block which also (possibly) contains
     'errno'.  Therefore we avoid 'malloc' which might touch 'errno'.
     Instead we use 'sbrk' which would only uses 'errno' if it fails.
     In this case we are right away out of memory and the user gets
     what she/he deserves.  */
#if TLS_TCB_AT_TP
  //...
#elif TLS_DTV_AT_TP    //★★RISC-Vではこちらのコードが使われる★★
  tcb_offset = roundup (TLS_INIT_TCB_SIZE, align ?: 1);
  tlsblock = __sbrk (tcb_offset + memsz + max_align
		     + TLS_PRE_TCB_SIZE + GLRO(dl_tls_static_surplus));
  tlsblock += TLS_PRE_TCB_SIZE;
#else
  /* In case a model with a different layout for the TCB and DTV
     is defined add another #elif here and in the following #ifs.  */
# error "Either TLS_TCB_AT_TP or TLS_DTV_AT_TP must be defined"
#endif

//...

  /* Initialize the thread pointer.  */
#if TLS_TCB_AT_TP
  //...
#elif TLS_DTV_AT_TP    //★★RISC-Vではこちらのコードが使われる★★
  INSTALL_DTV (tlsblock, _dl_static_dtv);
  const char *lossage = TLS_INIT_TP (tlsblock);    //★★tpレジスタ初期化★★
#else
# error "Either TLS_TCB_AT_TP or TLS_DTV_AT_TP must be defined"
#endif


// glibc/sysdeps/riscv/nptl/tls.h

register void *__thread_self asm ("tp");
# define READ_THREAD_POINTER() ({ __thread_self; })

//...

/* Code to initially initialize the thread pointer.  */
# define TLS_INIT_TP(tcbp) \
  ({ __thread_self = (char*)tcbp + TLS_TCB_OFFSET; NULL; })


// glibc/sysdeps/riscv/nptl/tls.h

/* The thread pointer tp points to the end of the TCB.
   The pthread_descr structure is immediately in front of the TCB.  */
# define TLS_TCB_OFFSET	0

メモリ領域を__sbrk() で確保してアドレスをtpに格納しています。#ifdefで多少見づらいですが、そんなに難しくないはずです。

今まではTLSに含まれるスレッドローカル変数のうち、実行時に値を初期化する変数について見てきました。スレッドローカル変数は実行時に初期化するだけではなく、起動時に初期化される変数もあります。起動時に初期化される変数は、実行ファイルに初期値が含まれていてTLSの初期化時に値がコピーされる仕組みです。

次回はTLSの初期化を見たいと思います。

編集者:すずき(2022/04/22 15:43)

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2022年4月18日

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glibcのスレッドローカルストレージ - 変数アドレス編

目次: C言語とlibc

前回はスレッドローカル変数宣言のコードを見ました。今回は変数のアドレス取得のコードを見ます。

スレッドローカル変数のアドレス取得

初期化の際はスレッドローカル変数のアドレスを取得する必要があります。アドレスの取得には __libc_tsd_address() というマクロを使います。

スレッドローカル変数の初期化


// glibc/ctype/ctype-info.c

void
__ctype_init (void)
{
  const uint16_t **bp = __libc_tsd_address (const uint16_t *, CTYPE_B);
  *bp = (const uint16_t *) _NL_CURRENT (LC_CTYPE, _NL_CTYPE_CLASS) + 128;
  const int32_t **up = __libc_tsd_address (const int32_t *, CTYPE_TOUPPER);
  *up = ((int32_t *) _NL_CURRENT (LC_CTYPE, _NL_CTYPE_TOUPPER) + 128);
  const int32_t **lp = __libc_tsd_address (const int32_t *, CTYPE_TOLOWER);
  *lp = ((int32_t *) _NL_CURRENT (LC_CTYPE, _NL_CTYPE_TOLOWER) + 128);
}
libc_hidden_def (__ctype_init)


// glibc/sysdeps/generic/libc-tsd.h

#define __libc_tsd_address(TYPE, KEY)		(&__libc_tsd_##KEY)
#define __libc_tsd_get(TYPE, KEY)		(__libc_tsd_##KEY)
#define __libc_tsd_set(TYPE, KEY, VALUE)	(__libc_tsd_##KEY = (VALUE))

先ほど宣言した変数のアドレスを返すだけの単純なコードです（例えばKEYがCTYPE_Bなら &__libc_tsd_CTYPE_Bを返す）。

スレッドローカル変数のアドレス取得、詳細

実際はどのようにアドレスを得るのでしょう？下記のようにコードを書き換えて、

改造後のコード（スレッドローカル変数にNULLを代入）


// glibc/ctype/ctype-info.c

void
__ctype_init (void)
{
  const uint16_t **bp = __libc_tsd_address (const uint16_t *, CTYPE_B);
  *bp = NULL;
}
libc_hidden_def (__ctype_init)

空のmain関数のみのコードをスタティックリンクでコンパイルし、実行ファイルを逆アセンブルします。

改造後のコード、逆アセンブル結果


000000000002c0c6 <__ctype_init>:

void
__ctype_init (void)
{
  const uint16_t **bp = __libc_tsd_address (const uint16_t *, CTYPE_B);
  *bp = NULL;
   2c0c6:       00045797                auipc   a5,0x45
   2c0ca:       7227b783                ld      a5,1826(a5) # 717e8 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x70>
   2c0ce:       9792                    add     a5,a5,tp
   2c0d0:       0007b023                sd      zero,0(a5)
}
   2c0d4:       8082                    ret

逆アセンブルを見ると、GOTのエントリからロードしたオフセット＋tpレジスタの値 = アドレス、という実装になっています。RISC-Vにおいてtpレジスタは「スレッドポインタ」レジスタといって、まさにスレッドローカルストレージのためのレジスタです。

次回はスレッドポインタがいつどこで初期化されるかを見たいと思います。

編集者:すずき(2022/04/22 15:44)

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2022年4月15日

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glibcのスレッドローカルストレージ - 変数宣言編

目次: C言語とlibc

スレッドごとに独立したデータを保持する空間をTLS（Thread Local Storage）といいます。日本語だと「スレッド局所記憶」というそうです。TLSへのアクセス方法、TLSの初期化方法などはアーキテクチャ依存ですので、今回はglibcのRISC-V版の実装を観察します。

スレッドローカル変数の宣言

変数宣言は __libc_tsd_define() マクロを使います。例として文字処理に使われるctype関連の変数を見ます。

ctype関連のスレッドローカル変数宣言


// glibc/ctype/ctype-info.c

__libc_tsd_define (, const uint16_t *, CTYPE_B)
__libc_tsd_define (, const int32_t *, CTYPE_TOLOWER)
__libc_tsd_define (, const int32_t *, CTYPE_TOUPPER)


// glibc/sysdeps/generic/libc-tsd.h

#define __libc_tsd_define(CLASS, TYPE, KEY)	\
  CLASS __thread TYPE __libc_tsd_##KEY attribute_tls_model_ie;


// glibc/include/libc-symbols.h

#define attribute_tls_model_ie __attribute__ ((tls_model ("initial-exec")))

マクロは下記のように展開されます。

スレッドローカル変数宣言マクロの展開例


// glibc/ctype/ctype-info.c

__libc_tsd_define (, const uint16_t *, CTYPE_B)
↓
__thread const uint16_t * __libc_tsd_CTYPE_B __attribute__ ((tls_model ("initial-exec")));


// glibc/include/ctype.h

__libc_tsd_define (extern, const uint16_t *, CTYPE_B)
↓
extern __thread const uint16_t * __libc_tsd_CTYPE_B __attribute__ ((tls_model ("initial-exec")));

ごちゃごちゃして見えますが、普通の変数宣言との違いは__thread指定子とtls_model("initial-exec") 属性の2つです。

スレッドローカル変数の宣言、詳細

これだけだと「そうですか」で終わってしまうので、もう少し詳しく調べます。

__thread: スレッドローカル変数であることを示します。
tls_model("initial-exec"): スレッドローカル変数のモデル、実行可能ファイルから参照可能な変数とします。

スレッドローカル変数のモデルは、Common Variable Attributes - Using the GNU Compiler Collection (GCC) を見る限り4種類あるようです。

global-dynamic
local-dynamic
initial-exec
local-exec

それぞれの意味は悲しいことにGCCのマニュアルに書いていないのです。どうして……。参考になるマニュアルとしては、-ftls-model (-qtls) - XL C/C++ for Linux - IBM Documentation もしくはスレッド固有ストレージのアクセスモデル - Oracle Solaris 11.1リンカーとライブラリガイドがわかりやすいです。

global-dynamic: すべてのスレッドローカル変数を参照できます。
local-dynamic: 共有ライブラリのスレッドローカル変数を参照できますが、モジュール外からの参照は不可能です。global-dynamicより速いとのこと。
initial-exec: 実行可能ファイルから共有ライブラリのスレッドローカル変数を参照できますが、実行可能ファイルと同時にロードされている必要があります（dlopenでロードしたライブラリは不可）。local-dynamicより速いとのこと。
local-exec: 実行可能ファイル内のスレッドローカル変数のみ参照できます。initial-execより速いとのこと。

Solarisのリンカーのモデル名はGCCと少し違いますが、一見して対応がわかる程度の差でしょう。

次回は変数のアドレス取得について見たいと思います。

編集者:すずき(2022/04/22 03:01)