x64: 线程局部变量访问

在 x64 上，可使用以下代码序列模型访问 TLS。

x64: 常规动态 (General Dynamic, GD)

此代码序列实现线程局部存储的访问模型中介绍的 GD 模型。

0x00 .byte 0x66
0x01 leaq  x@tlsgd(%rip), %rdi
0x08 .word 0x6666
0x0a rex64
0x0b call  __tls_get_addr@plt

# %rax - contains address of TLS variable

<none>
R_AMD64_TLSGD
<none>
<none>
R_AMD64_PLT32

x


__tls_get_addr

GOT[n]
GOT[n + 1]

R_AMD64_DTPMOD64
R_AMD64_DTPOFF64

x
x

__tls_get_addr() 函数采用单个参数，即 tls_index 结构的地址。与 x@tlsgd(%rip) 表达式关联的 R_AMD64_TLSGD 重定位指示链接编辑器在 GOT 中分配 tls_index 结构。tls_index 结构所需的两个元素将保留在连续的 GOT 项中（GOT[n] 和 GOT[n+1]）。这些 GOT 项与 R_AMD64_DTPMOD64 和 R_AMD64_DTPOFF64 重定位相关联。

地址 0x00 处的指令计算第一个 GOT 项的地址。通过将 GOT 起始位置的 PC 相对地址（在链接编辑时得知）与当前指令指针相加进行此计算。结果将通过 %rdi 寄存器传递给 __tls_get_addr() 函数。

x64: 局部动态 (Local Dynamic, LD)

此代码序列实现线程局部存储的访问模型中介绍的 LD 模型。

0x00 leaq  x1@tlsld(%rip), %rdi
0x07 call  __tls_get_addr@plt

# %rax - contains address of TLS block

0x10 leaq  x1@dtpoff(%rax), %rcx

# %rcx - contains address of TLS variable x1

0x20 leaq  x2@dtpoff(%rax), %r9

# %r9 - contains address of TLS variable x2

R_AMD64_TLSLD
R_AMD64_PLT32



R_AMD64_DTOFF32



R_AMD64_DTOFF32

x1
__tls_get_addr




x1



x2

GOT[n]

R_AMD64_DTMOD64

x1

前两个指令与用于常规动态模型的代码序列等效，虽然不进行任何填充。这两个指令必须是连续的。x1@tlsld(%rip) 序列为符号 x1 生成 tls_index 项。此索引引用包含 x1（偏移为零）的当前模块。链接编辑器为目标文件 R_AMD64_DTMOD64 创建一个重定位。

因为各个偏移会分别单独装入，所以 R_AMD64_DTOFF32 重定位是没必要的。x1@dtpoff 表达式用于访问符号 x1 的偏移。将指令用作 0x10 地址时，可装入完整的偏移并将该偏移与 %rax 中的 __tls_get_addr() 调用的结果相加，以在 %rcx 中生成结果。x1@dtpoff 表达式创建 R_AMD64_DTPOFF32 重定位。

可以使用以下指令装入变量的值，而不必计算变量的地址。此指令与原始 leaq 指令创建的重定位相同。

movq  x1@dtpoff(%rax), %r11

如果 TLS 块的基本地址保存在一个寄存器中，则装入、存储或计算受保护的线程局部变量的地址将只需要一个指令。

使用局部动态模型比使用常规动态模型可获得更多好处。每进行一次额外的线程局部变量访问，只需执行三个新指令。此外，不需要生成其他 GOT 项或运行时重定位。

x64: 初始可执行 (Initial Executable, IE)

此代码序列实现线程局部存储的访问模型中介绍的 IE 模型。

0x00 movq  %fs:0, %rax
0x09 addq  x@gottpoff(%rip), %rax

# %rax - contains address of TLS variable

<none>
R_AMD64_GOTTPOFF

x

GOT[n]

R_AMD64_TPOFF64

x

符号 x 的 R_AMD64_GOTTPOFF 重定位请求链接编辑器生成 GOT 项和关联的 R_AMD64_TPOFF64 重定位。然后，x@gottpoff(%rip) 指令使用 GOT 项相对于此指令结束位置的偏移。R_AMD64_TPOFF64 重定位使用由目前已装入模块确定的符号 x 值。偏移将写入到 GOT 项中，然后由 addq 指令装入。

要装入 x 的内容（而非 x 的地址），可使用以下序列。

0x00 movq  x@gottpoff(%rip), %rax
0x07 movq  %fs:(%rax), %rax

# %rax - contains contents of TLS variable

R_AMD64_GOTTPOFF
<none>

x

GOT[n]

R_AMD64_TPOFF64

x

x64: 局部可执行 (Local Executable, LE)

此代码序列实现线程局部存储的访问模型中介绍的 LE 模型。

0x00 movq  %fs:0, %rax
0x09 leaq  x@tpoff(%rax), %rax

# %rax - contains address of TLS variable

<none>
R_AMD64_TPOFF32

x

要装入 TLS 变量的内容（而非 TLS 变量的地址），可使用以下序列。

0x00 movq  %fs:0, %rax
0x09 movq  x@tpoff(%rax), %rax

# %rax - contains contents of TLS variable

<none>
R_AMD64_TPOFF32

x

以下序列更为简短。

0x00 movq  %fs:x@tpoff, %rax

# %rax - contains contents of TLS variable

R_AMD64_TPOFF32

x