futex的设计与实现

介绍

futex（快速用户空间互斥）是Linux的一个基础组件，可以用来构建各种更高级别的同步机制，比如锁或者信号量等等，POSIX信号量就是基于futex构建的。大多数时候编写应用程序并不需要直接使用futex的，一般用基于它所实现的系统库就够了。

历史

传统的SystemV IPC（进程间通信）进程间同步机制都是通过内核对象来实现的，以semaphore为例，当进程间要同步的时候，必须通过系统调用semop（2）进入内核进行PV操作。系统调用的缺点是开销很大，需要从用户模式切换到内核模式，保存寄存器状态，从用户堆栈切换到内核堆栈，等等，通常要消耗上百条指令。事实上，有一部分系统调用是可以避免的，因为现实中很多同步操作进行的时候根本不存在竞争，即某个进程从持有旗语直至释放信号的这段时间内，常常没有其它进程对同一信号有需求，在这种情况下，内核的参与本来是不必要的，可是在传统机制下，持有旗语必须先调用执行semop（2）进入内核去看看有没有人和它竞争，释放信号量也必须调用执行semop（2）进入内核去看看有没有人在等待同一信号，这些不必要的系统调用造成了大量的性能损耗

futex的设计思想

futex的解决思路是：在无竞争的情况下操作完全在用户空间进行，不需要系统调用，仅在发生竞争的时候进入内核去完成相应的处理（等待或者唤醒）。所以说，futex是一种用户模式和内核模式混合的同步机制，需要两种模式合作才能完成，用户空间，而不是内核对象，futex的代码也分为用户模式和内核模式两部分，无竞争的情况下在用户模式下，发生竞争时则通过sys_futex系统调用进入内核模式进行处理

实现

// 在uaddr指向的这个锁变量上挂起等待（仅当*uaddr==val时）
int futex_wait(int *uaddr, int val);
// 唤醒n个在uaddr指向的锁变量上挂起等待的进程
int futex_wake(int *uaddr, int n);

/*
 * This sample show how to use futex betwen two process, and use system v
 * shared memory to store data
 */  

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>  

#if __GLIBC_PREREQ(2, 3)
#if defined FUTEX_WAIT || defined FUTEX_WAKE
#include <linux/futex.h>
#else
#define FUTEX_WAIT      0
#define FUTEX_WAKE      1
#endif  

#ifndef __NR_futex
#define __NR_futex     202
#endif
#endif  

#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR)  

const char shmfile[] = "/tmp";
const int size = 100;  

struct namelist
{
    int  id;
    char name[20];
};  

int
main(void)
{
    int fd, pid, status;
    int *ptr;
    struct stat stat;  

    // create a Posix shared memory
    int flags = O_RDWR | O_CREAT;
    fd = shm_open(shmfile, flags, FILE_MODE);
    if (fd < 0)
    {
        printf("shm_open failed, errormsg=%s errno=%d", strerror(errno), errno);
        return 0;
    }
    ftruncate(fd, size);
    ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);     

    pid = fork();
    if (pid == 0) { // child process
        sleep(5);
        printf("Child %d: start/n", getpid());  

        fd = shm_open(shmfile, flags, FILE_MODE);
        fstat(fd, &stat);
        ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
        close(fd);
        struct namelist tmp;  

        // store total num in ptr[0];
        *ptr = 3;  

        namelist *cur = (namelist *)(ptr+1);  

        // store items
        tmp.id = 1;
        strcpy(tmp.name, "Nellson");
        *cur++ = tmp;
        tmp.id = 2;
        strcpy(tmp.name, "Daisy");
        *cur++ = tmp;
        tmp.id = 3;
        strcpy(tmp.name, "Robbie");
        *cur++ = tmp;  

        printf("wake up parent/n");
        syscall(__NR_futex ,ptr, FUTEX_WAKE, 1, NULL );  

        exit(0);
    } else{ // parent process
        printf("parent start waiting/n");
        syscall(__NR_futex , ptr, FUTEX_WAIT, *(int *)ptr, NULL );
        printf("parent end waiting/n");  

        struct namelist tmp;  

        int total = *ptr;
        printf("/nThere is %d item in the shm/n", total);     

        ptr++;
        namelist *cur = (namelist *)ptr;  

        for (int i = 0; i< total; i++) {
            tmp = *cur;
            printf("%d: %s/n", tmp.id, tmp.name);
            cur++;
        }  

        printf("/n");
        waitpid(pid, &status, 0);
    }  

    // remvoe a Posix shared memory from system
    printf("Parent %d get child status:%d/n", getpid(), status);
    return 0;
}

上层应用

互斥锁pthread_mutex_t的实现原理

// pthread_mutex_lock:
atomic_dec(pthread_mutex_t.value);
if (pthread_mutex_t.value!=0)
  futex(WAIT)
else
  success

// pthread_mutex_unlock:
atomic_inc(pthread_mutex_t.value);
if(pthread_mutex_t.value!=1)
futex(WAKEUP)
else
success

信号量sem_t的实现原理

sem_wait(sem_t *sem)
{
for (;;) {
   if (atomic_decrement_if_positive(sem->count))
       break;
   futex_wait(&sem->count, 0)
   }
}

sem_post(sem_t *sem)
{
   n = atomic_increment(sem->count);
   // Pass the new value of sem->count
   futex_wake(&sem->count, n + 1);
}

论文
参考一
参考二

作者：滩主
链接：https://www.jianshu.com/p/d17a6152740c
来源：简书
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