### ELF与线程本地存储（TLS）
#### 动机与背景
随着多线程编程的日益普及，开发者们渴望寻找一种更为高效的方式来处理线程本地数据。传统的POSIX线程接口虽然提供了一种机制来为每个线程独立地存储`void*`类型的对象，但这种接口使用起来相当繁琐。它要求在运行时动态分配一个键来标识这些对象，并且当这个键不再被使用时还需要手动释放。这种做法不仅增加了工作量，还容易出错，尤其是在与动态加载的代码结合使用时更是如此。
为了解决这些问题，决定扩展编程语言的功能，让编译器承担起管理线程本地数据的任务。对于C和C++语言来说，引入了新的关键字`__thread`用于变量定义和声明中。虽然这并不是官方的语言标准的一部分，但是鼓励编译器制造商实现这一特性以支持新的应用程序二进制接口（ABI）。
使用`__thread`关键字定义的变量将自动被分配到每个线程的本地空间中：
```c++
__thread int i; // 定义一个整型变量，每个线程都有自己的副本
__thread struct states s; // 定义结构体变量，每个线程有自己的副本
extern __thread char *p; // 声明一个外部字符指针变量，每个线程有自己的副本
```
这种特性不仅仅适用于用户程序。运行时环境也可以从中受益，例如全局变量`errno`必须是线程本地的；此外，编译器还可以执行优化，创建非自动的线程本地变量。需要注意的是，将`__thread`添加到自动变量的定义中是没有意义的，因为自动变量本身就是线程本地的。而静态函数作用域内的变量则是合适的候选者。
线程本地变量的行为符合预期：取地址操作符返回当前线程中该变量的地址。在动态加载模块中的线程本地变量所分配的内存会在模块卸载时被自动释放。唯一的真正限制是在C++程序中，线程本地变量不能需要静态构造函数。
为了实现这一新特性，需要对运行时环境进行修改。二进制格式必须扩展以区分线程本地变量和普通变量。动态加载器必须能够识别和处理线程本地变量。
#### 技术细节
ELF（Executable and Linking Format）是一种广泛使用的可执行文件格式，在Unix-like操作系统中非常常见。为了支持线程本地存储，ELF格式进行了扩展以适应这一需求。
在ELF文件中，线程本地变量的定义与其他变量分开。这意味着编译器生成的目标文件中包含了额外的信息，用以指示哪些变量应当被视为线程本地的。动态链接器在加载程序时会根据这些信息为每个线程初始化对应的线程本地数据。
#### 实现原理
实现线程本地存储的关键在于如何在多个线程之间隔离变量的数据。具体而言，系统需要一种机制来为每个线程分配并维护一个独立的数据区域，同时确保所有线程可以访问到相同的符号名称。
在Linux系统中，线程本地数据通过线程控制块（TCB, Thread Control Block）来实现。每个线程都有一个TCB，其中包含了一个指向线程本地数据的指针。当线程第一次访问一个线程本地变量时，系统会在TCB中为其分配内存，并设置相应的指针。此后，每次对该变量的访问都会引用TCB中的指针，从而获得正确的数据。
#### 结论
线程本地存储作为一种高级特性，极大地简化了多线程程序的开发过程。通过使用`__thread`关键字，程序员可以轻松地为每个线程创建独立的数据空间，避免了复杂的锁机制和同步问题。此外，ELF格式的扩展使得这一特性得以在不同的平台上实现，为开发者提供了更加灵活和高效的编程模型。
