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); }
作者：滩主
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来源：简书
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