Linux系统调用之Futex

简介

Futex（Fast Userspace muTexes）的缩写，由Hubertus Franke, Matthew Kirkwood, Ingo Molnar and Rusty Russell共同设计完成，
Futex是一种用户态和内核态混合的同步机制。

同步的进程间通过mmap共享一段内存，futex变量就位于这段共享的内存中且操作是原子的，
当进程尝试进入互斥区或者退出互斥区的时候，先去查看共享内存中的futex变量， 3. 如果没有竞争发生，则只修改futex,而不用再执行系统调用了。 4. 如果有竞争发生，则执行系统调用去完成相应的处理(wait 或者 wake up)。

futex() 函数：

FUTEX_WAIT: 原子性的检查uaddr中计数器的值是否为val,如果是则让进程休眠，直到FUTEX_WAKE或者超时(time-out)。也就是把进程挂到uaddr相对应的等待队列上去。
不加timeout参数，它会一直被阻塞，直到FUTEX_WAKE:

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#include <linux/futex.h>
#include <sys/time.h>

int futex (int *uaddr, int op, int val, const struct timespec *timeout,int *uaddr2, int val3);
#define __NR_futex  240

FUTEX_WAIT: 原子性的检查uaddr中计数器的值是否为val,如果是则让进程休眠，直到FUTEX_WAKE或者超时(time-out)。也就是把进程挂到uaddr相对应的等待队列上去。 FUTEX_WAKE: 最多唤醒val个等待在uaddr上进程。

可见FUTEX_WAIT和FUTEX_WAKE只是用来挂起或者唤醒进程，当然这部分工作也只能在内核态下完成。有些人尝试着直接使用futex系统调用来实现进程同步，并寄希望获得futex的性能优势，这是有问题的。应该区分futex同步机制和futex系统调用。futex同步机制还包括用户态下的操作，我们将在下节提到。

所有的futex同步操作都应该从用户空间开始，首先创建一个futex同步变量，也就是位于共享内存的一个整型计数器。当进程尝试持有锁或者要进入互斥区的时候，对futex执行"down"操作，即原子性的给futex同步变量减1。如果同步变量变为0，则没有竞争发生，进程照常执行。如果同步变量是个负数，则意味着有竞争发生，需要调用futex系统调用的futex_wait操作休眠当前进程。当进程释放锁或者要离开互斥区的时候，对futex进行"up"操作，即原子性的给futex同步变量加1。如果同步变量由0变成1，则没有竞争发生，进程照常执行。如果加之前同步变量是负数，则意味着有竞争发生，需要调用futex系统调用的futex_wake操作唤醒一个或者多个等待进程。

这里的原子性加减通常是用CAS(Compare and Swap)完成的，与平台相关。CAS的基本形式是：CAS(addr,old,new),当addr中存放的值等于old时，用new对其替换。在x86平台上有专门的一条指令来完成它: cmpxchg。

可见: futex是从用户态开始，由用户态和核心态协调完成的。

进/线程利用futex同步

进程或者线程都可以利用futex来进行同步。对于线程，情况比较简单，因为线程共享虚拟内存空间，虚拟地址就可以唯一的标识出futex变量，即线程用同样的虚拟地址来访问futex变量。对于进程，情况相对复杂，因为进程有独立的虚拟内存空间，只有通过mmap()让它们共享一段地址空间来使用futex变量。每个进程用来访问futex的虚拟地址可以是不一样的，只要系统知道所有的这些虚拟地址都映射到同一个物理内存地址，并用物理内存地址来唯一标识futex变量。

Linux系统调用之Futex

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简介

Futex同步机制

进/线程利用futex同步

参考

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