介绍
futex (fast userspace mutex) 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，一般用基于它所实现的系统库就够了。
历史
传统的SystemV IPC(inter process communication)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user mode切换到kernel mode、保存寄存器状态、从user stack切换到kernel stack、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semaphore直至释放semaphore的这段时间内，常常没有其它进程对同一semaphore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semaphore必须先调用semop(2)进入内核去看看有没有人和它竞争，释放semaphore也必须调用semop(2)进入内核去看看有没有人在等待同一semaphore，这些不必要的系统调用造成了大量的性能损耗。
futex设计思想
futex的解决思路是：在无竞争的情况下操作完全在user space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(wait 或者 wake up)。所以说，futex是一种user mode和kernel mode混合的同步机制，需要两种模式合作才能完成，futex变量必须位于user space，而不是内核对象，futex的代码也分为user mode和kernel mode两部分，无竞争的情况下在user mode，发生竞争时则通过sys_futex系统调用进入kernel mode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
https://github.com/torvalds/linux/blob/master/kernel/futex.c
