第八讲,TLS表(线程局部存储)

一丶复习线程相关知识

首先讲解TLS的时候,需要复习线程相关知识,  (thread local storage )

1.了解经典同步问题

首先我们先写一段C++代码,开辟两个线程去跑,看看会不会出现同步问题.

看结果得知,结果并不是正确的,造成同步的问题的原因是两个线程都对同一个变量进行访问.

解决问题:

1.使用同步对象.  (自旋锁自加锁互斥体事件  信号灯  临界区.....等等都可以.)

这里使用自加锁解决(当然可以用别的)

InterlockedIncrement  API

原型:

LONG InterlockedIncrement(

  LPLONG volatile lpAddend   // variable to increment

);
只需要把全局变量的地址给它,强转为long * 类型即可.

使用之后结果是正确的

二丶何为TLS  (Thread  local storage)

所谓TLS,意思就是指,每个线程都有自己的空间,局部存储,什么意思?

比如上方我们对一个g_dwNumber进行操作,那么我们就要使用同步对象,我们不妨这样去想,每个线程,开辟一个空间

当对A线程进行操作的时候,操作的是A线程的g_dwNumber,当对B线程进行操作的时候,是对B线程的g_dwNumber进行操作.

其实很简单,介绍一下TLS的API

总共4个

分别是:

TlsAlloc  分配线程局部存储空间

TlsFree  释放线程局部存储空间

TlsGetValue 获得线程局部存储空间里面的值

TlsSetValue 设置线程局部存储空间的值

三丶TLSAPI的使用

1.首先是TlsAlloc的使用

DWORD TlsAlloc(VOID);  函数原型

调用一次TlsAlloc则会分配4个字节的空间,不管你在哪里调用,如果在main里面(主线程)中调用,那么当你创建线程的时候
线程会默认有4个字节的控件
返回值是一个索引, 这个索引是查FS寄存器数组的值当然,这个一会讲解.只需要知道,当我们为每一个线程申请了4个字节的空间
那么索引是一样的,但是索引操作的数据是不一样的
比如 你申请的索引是1
那么在A线程中,操作1索引的时候,那么操作的是A线程的,那么如果在B线程操作索引1的时候,那么操作的是B线程的数据
举例子:
比如有个电话号码是 
12345678
中国: 12345678
外国: 12345678 (把电话号码看做是索引)
我们知道,电话号码是一样的,但是你打这个电话的时候,人是不一样的
比如我在中国打123456 那么接听人是张三
我在外国打123456 那么接听人是李四
其中张三李四就是表达了对同一数据的不同操作.看下代码
再比如:
我们使用tlsAlloc申请了4个字节的空间
索引就是nindex (看做是g_dwNumber);
那么访问不同线程的索引,那么索引里面的值是不同的.


1.Tls的动态使用方法,设置全局变量
动态使用就是PE中不建立TLS表格了,同样完成同步

首先,我们为每个线程开辟了4个字节的空间
然后返回一个索引(这个索引看做是g_dwNumber,其实这个索引是去数组里面去取出成员来,比如现在是第1个,那么去数组里面取出第一项来,当做g_dwNumber)
TlsSetValue(索引,设置的值)
这样写其实就是根据索引找到数组里面的值,设置一下.
TlsGetValue(索引)则是根据下标索引,去数组里面取出g_dwNumber的值.
然后下方重新设置回去了.在1索引的位置,设置了g_dwNumber的值.

如果对齐数据结构不理解,可以看下手工写的图

AThread (当前索引为1)
　　数组: [0][1][2][3]..... 
数组首地址: 00401000

BThread (当前索引为1)
　　数组: [0][1][2][3].....　数组首地址:
00402000
其实每个线程可以理解为索引虽然一样,但是在数组里面取出来的值是不一样的.
比如A线程的索引为1,里面的成员是A线程的g_dwNumber 比如现在它的值是5
现在切换到了B线程了,那么还是根据索引去找值,但是数组不同了,所以再次找1找的则是B数组的g_dwNumber了.
其实API的作用就相当于你手工的去给数组第几个元素赋值,取值.等等.
只不过这个是操作系统封装的数组,所以给你提供API
按照我们的写法,可能会下面那样做,伪代码,便于理解

AThread[1] = 0;

DWORD g_dwNumber = AThread[1];

printf(g_dwNumber);

AThread[1] = g_dwNumber++;

替换成API则是
TlsSetValue(索引,值)
TlsGetValue(索引);

现在看下那张图,那么已经实现了同步.线程也切换了,操作的就是自己的数据.
2.动态使用Tls之结构体的设置
上面我们说的是数组里面设置的是全局变量,现在我们要设置一下结构体了.
结构体其实是一样的,我们让数组里面存指针就行.
比如看下方代码:

很简单

1.我们定义一个p指针,指向了一块new的内存

2.初始化的时候,设置数组索引的当前索引的值为p的指针

3.从索引中获得p指针

4.修改p指向的m_dwCount的值

注意,这里因为p是一个指针,我们修改的只是它空间成员变量的值,所以不用重新再设置回去了.

到了现在感觉TLS是不是有点难用了.其实使用TLS 比使用任何同步对象都快,就相当于没同步的时候的速度.

但是TLS的真正的语法不是这样用的.(上面是动态使用不会生成TLS表)

3.Tls的静态使用(真正用法)

其实TLS真正的用法是静态使用,操作系统已经帮你集成了语法了

看下用法,以及语法;

语法:

__declspec(thread) 类型  变量名

然后tls就会自动生成表了,操作系统帮你升成上面动态使用的代码.(所以为啥要理解动态使用)

用的时候还是正常使用.

我们的代码都不用变的.

但其实汇编代码还是会编译为上面的动态使用.

如果变为结构体,那么是一样的,只需要把类型变成结构体的类型即可.

四丶PE中TLS表的设计

了解了上方的原理了,那么如果让你设计表格你要怎么设计?

1.我们全局变量初始化为0了,那么我们肯定有地方存储了这个全局变量的数据 ,所以我会设计一段分为存储这个值.

2.我们常用的nindex索引,那么我觉着也要存储一下

看下结构体　　

typedef struct _IMAGE_TLS_DIRECTORY32 {
    DWORD   StartAddressOfRawData;　　　　TLS初始化数据的起始地址
    DWORD   EndAddressOfRawData;　　　　　 TLS初始化数据的结束地址  两个正好定位一个范围,范围放初始化的值
    DWORD   AddressOfIndex;              TLS 索引的位置
    DWORD   AddressOfCallBacks;          Tls回调函数的数组指针
    DWORD   SizeOfZeroFill;　　　　　　　　 填充0的个数
    union {
        DWORD Characteristics;　　　　　　保留
        struct {
            DWORD Reserved0 : ;
            DWORD Alignment : ;
            DWORD Reserved1 : ;
        } DUMMYSTRUCTNAME;
    } DUMMYUNIONNAME;

} IMAGE_TLS_DIRECTORY32;

首先介绍前两个成员,

起始地址  结束地址 定位了一个范围,那么这个范围内存放的就是初始化的值(注意只有静态使用才有TLS表)也就是上方我们定义的g_dwNumber = 0;存放了0,但是因为0不好看,这里我重新赋值为12345678 代码不贴了.

我们查看下PE定位一下Tls的位置.

注意,因为我是VS2015编写的程序,随机基址懒得去了,直接在PE中修改了,把文件头的文件属性修改了即可.

以前是02,现在改成03即可.

首先查看下数据目录的第9项

得出RVA = 000176FC

查看下模块首地址. 首地址是 00400000

看下属于哪个节

命中在.rdata节,RVA = 00016000

上面的RVA减去现在的RVA = 偏移

000176FC - 00016000 = 16FC

节中的文件偏移 + 偏移 = 文件中的位置.

文件偏移是下方的第二个成员

5400 + 16FC = 6AFC

查看6AFC定位Tls表的位置.

前面两个成员分别指向的是

0041B000  0041B208的位置  结束地址 - 起始地址 = 范围.

寻找起始地址的FA

时间关系,这里命中的节是 Rva = 001B000

那么转为文件偏移

FA = 8400h直接计算出来了

起始地址是8400h 那么+208就是8608 ,那么8400h 到8608的位置就存放的初始值,现在已经看到上图画出来的12345678了(小尾方式读取)

第3个成员: 索引的值,这个你可以自己转化查看.

五丶TLS结构体第四个成员,回调函数的数组指针

这个怎么理解,是这样的,还记到动态使用的时候,我们不是在主线程中 TlsAlloc 和TlsFree吗

现在我们可以注册回调函数,操作系统会调用这个回调函数.

怎么注册?

关键字: 加段,必须添加到特定的段中

首先先看下回调的函数原型.

typedef VOID

(NTAPI *PIMAGE_TLS_CALLBACK) (PVOID DllHandle, DWORD Reason,PVOID Reserved );

PIMAGE_TLS_CALLBACK 其中这个回调是从结构体中第四个成员里面,注释得到的

首先我们自己写一个

请看注释,其实这里才是真正的申请和释放,注意,这个回调函数操作系统会从问价那种读取地址,然后执行一遍,没有申请内存,所以这里面可以藏代码的.

注意,虽然回调我们写了,但是要让操作系统调用,那么我们需要添加一个特定的节.

语法:

#pragma data_seg(".CRTXLB")其中关于.CRTXLB")其中关于.CRTXLB 为什么是这个节,我发下连接看雪论坛的,自己看下吧,很简单了.https://bbs.pediy.com/thread-108015.htm

/*中间写代码,定义函数回调数组*/

PIMAGE_TLS_CALLBACK ary[] = {MyTlsCallBack,0}; //0结尾,那么操作系统就会在文件中找到这个位置,调用一下这个回调.如果多个,里面可以写多个,0结尾即可.

#pragma data_seg();　　

发现1已经成功弹出来了,那么现在结构体的第四个成员,就是指向这个数组首地址的.PE加载的时候,会默认调用,然后依次执行一遍..

请注意,只会在文件中存储,如果你跑到内存中查看,这个地址是没有的.