futex机制介绍

水深无声 2022-09-12 06:46 169阅读 0赞

1、概念  
futex： a sort of fast, user-space mutual exclusion primitive.   
Futex是一种用户态和内核态混合的同步机制。首先，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，如果没有竞争发生，则只修改futex,而不用再执行系统调用了。当通过访问futex变量告诉进程有竞争发生，则还是得执行系统调用去完成相应的处理(wait 或者 wake up)。简单的说，futex就是通过在用户态的检查，（motivation）如果了解到没有竞争就不用陷入内核了，大大提高了low-contention时候的效率。  
https://lwn.net/Articles/172149/  
https://lwn.net/Articles/360699/  
2、futex的由来  
为什么要有futex，他解决什么问题？何时加入内核的？我们来看下  
经研究发现，很多同步是无竞争的，即某个进程进入互斥区，到再从某个互斥区出来这段时间，常常是没有进程也要进这个互斥区或者请求同一同步变量的。但是在这种情况下，这个进程也要陷入内核去看看有没有人和它竞争，退出的时侯还要陷入内核去看看有没有进程等待在同一同步变量上。这些不必要的系统调用(或者说内核陷入)造成了大量的性能开销。为了解决这个问题，Futex就应运而生。  
前面的概念已经说了，futex是一种用户态和内核态混合同步机制，为什么会是用户态+内核态，听起来有点复杂，由于我们应用程序很多场景下多线程都是非竞争的，也就是说多任务在同一时刻同时操作临界区的概率是比较小的，大多数情况是没有竞争的，在早期内核同步互斥操作必须要进入内核态，由内核来提供同步机制，这就导致在非竞争的情况下，互斥操作扔要通过系统调用进入内核态。  
我们来看一下程序  
程序1：  
pthread\_mutex\_t lock;  
int count = 0;  
void thread1()  
\{  
    while(1)  
    \{  
        pthread\_mutex\_lock(&lock);  
        /\* do something \*/  
        count++;  
        pthread\_mutex\_unlock(&lock);  
    \}  
\}  
void thread2()  
\{  
    while(1)  
    \{  
        sleep(60);  
        pthread\_mutex\_lock(&lock);  
        count = 0;  
        pthread\_mutex\_unlock(&lock);  
    \}  
\}  
pthread\_create(&tid1, NULL, thread1, NULL);  
pthread\_create(&tid2, NULL, thread1, NULL);

假设系统中有2个程序，一个线程在滴答自增，一个线程周期性清除计数器。显然两个线程同时进入临界区的几率相当小，在未实现futex机制之前，每次调用pthread\_mutex\_lock和unlock都要通过syscall进入内核，内核检查该锁的拥有者，发现没有人持则返回到用户态，因为大部分时间2个线程并没有争抢互斥锁。显然大部分时间在做无用功，时间浪费在user->kernel和kernel→usr的切换，显然这个锁的性能不太好，因为存在大量user→kernel、kernel→usr的切换，例子可能不太恰当，get到点就好。

那么如何解决这个问题？  
就像前面说的，采用用户态+内核态混合机制，在用户态使用原子操作，对持有锁的持有情况进行判断，如果锁可以占用，那么更新锁的状态并直接占用，不需要进入内核态，如果锁已经占用，则进入内核态挂起当前任务，事实上这些操作对程序员不可见的，一般都是由C库提实现好了。  
Glibc中常用的线程同步方式举例:  
Semaphore  
变量定义：    sem\_t sem;  
初始化：      sem\_init(&sem,0,1);  
进入加锁:     sem\_wait(&sem);  
退出解锁:     sem\_post(&sem);  
Mutex  
变量定义：    pthread\_mutex\_t mut;  
初始化：      pthread\_mutex\_init(&mut,NULL);  
进入加锁:     pthread\_mutex\_lock(&mut);  
退出解锁:     pthread\_mutex\_unlock(&mut);  
这些用于同步的函数和futex有什么关系？下面让我们来看一看:  
以Semaphores为例，  
进入互斥区的时候，会执行sem\_wait(sem\_t \*sem)，sem\_wait的实现如下：  
int sem\_wait (sem\_t \*sem)  
\{  
int \*futex = (int \*) sem;  
if (atomic\_decrement\_if\_positive (futex) > 0)  
return 0;  
int   err = lll\_futex\_wait (futex, 0);  
return -1;  
)  
atomic\_decrement\_if\_positive()的语义就是如果传入参数是正数就将其原子性的减一并立即返回。如果信号量为正，在Semaphores的语义中意味着没有竞争发生，如果没有竞争，就给信号量减一后直接返回了。  
如果传入参数不是正数，即意味着有竞争，调用lll\_futex\_wait(futex,0),lll\_futex\_wait是个宏，展开后为：  
\#define lll\_futex\_wait(futex, val) \\  
(\{                                          \\  
…  
\_\_asm \_\_volatile (LLL\_EBX\_LOAD                          \\  
LLL\_ENTER\_KERNEL                          \\  
LLL\_EBX\_LOAD                          \\  
: “=a” (\_\_status)                          \\  
: “0″ (SYS\_futex), LLL\_EBX\_REG (futex), “S” (0),          \\  
“c” (FUTEX\_WAIT), “d” (\_val),                  \\  
“i” (offsetof (tcbhead\_t, sysinfo))              \\  
: “memory”);                          \\  
…                                      \\  
\})  
可以看到当发生竞争的时候，sem\_wait会调用SYS\_futex系统调用，并在val=0的时候执行FUTEX\_WAIT,让当前线程休眠。  
2002年的ols文档，在linux-2.5.7引入了futex。  
https://www.kernel.org/doc/ols/2002/ols2002-pages-479-495.pdf

2、内核配置：  
在内核配置选项中可以看到，默认是勾选的。 CONFIG\_FUTEX=Y  
 \[\*\] Enable futex support  
CONFIG\_FUTEX: │  
│ │  
│ Disabling this option will cause the kernel to be built without │  
│ support for "fast userspace mutexes". The resulting kernel may not │  
│ run glibc-based applications correctly.  
从CONFIG\_FUTEX的注释中我们可以发现，我们会发现一个问题，注释说如果CONFIG\_FUTEX=N，则生成的内核可能不能正常运行glibc应用程序。为什么会这样？  
从上面futex例子我们可以看出，在Semaphores和mutex的实现过程中使用了futex，说明glibc库使用了futex，而其他的常用的同步手段也是建立在futex机制上，包括用户态下的操作和核心态下的操作。  
未完--待续  
  
原文链接：https://blog.csdn.net/y33988979/article/details/82252266