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[系统运维]linux进阶40——futex |
1. 概念Futex 是Fast Userspace muTexes的缩写,由Hubertus Franke, Matthew Kirkwood, Ingo Molnar and Rusty Russell共同设计完成。 Futex按英文翻译过来就是快速用户空间互斥体。其设计思想其实 不难理解,在传统的Unix系统中,System V IPC(inter process communication),如 semaphores, msgqueues, sockets还有文件锁机制(flock())等进程间同步机制都是对一个内核对象操作来完成的,这个内核对象对要同步的进程都是可见的,其提供了共享 的状态信息和原子操作。当进程间要同步的时候必须要通过系统调用(如semop())在内核中完成。可是经研究发现,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,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。 Linux从2.5.7开始支持Futex。 2. futex系统调用Futex是一种用户态和内核态混合机制,所以需要两个部分合作完成,linux上提供了sys_futex系统调用,对进程竞争情况下的同步处理提供支持。 2.1 函数原型
2.2 参数uaddr:用户态下共享内存的地址,里面存放的是一个对齐的整型计数器; op:存放着操作类型,例如:
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。 2.3 返回值
2.4?FUTEX_WAIT这个是futex_op参数上一种选择,即如果uaddr上所指向的futex值和val值相同,则将当前进程/线程会阻塞在uaddr所指向的futex值上,并等待*uaddr的FUTEX_WAKE操作;如果*uaddr != val,那么futex(2)失败并返回伴着EAGAIN错误码。 如果参数timeout非空,那么timeout指向的结构体会指定休眠的时间。(此时间间隔会向上取到系统时间的粒度,并保证不会提前到期)。timeout默认会根据CLOCK_MONOTONIC时钟来计算,但从Linux4.5开始,可以在futex_op上指定FUTEX_CLOCK_REALTIME来选择CLOCK_REALTIME时钟。如果timeout为空,那么调用会无限期阻塞。 2.5?FUTEX_WAKEFUTEX_WAKE操作可以唤醒最多val个在uaddr指向的futex字上的等待者。最常见的是val为1,表示唤醒一个等待者,或者val为INT_MAX,表示唤醒所有等待者。不保证某个等待者被唤醒。比如说不保证高调度优先级的等待者先于低优先级等待者被唤醒。 3. futex对象futex对象是一个32位的值,其地址提供给系统调用futex().futex对象在所有平台都是32位。所有futex操作都受这个值(futex)管理。为了在进程间共享一个futex值,futex通常放在共享内存中。这导致在不同的进程中,futex有不一样的虚拟地址的值,不过其指向的物理地址都是一样的。在多线程的程序中,只需将futex值作为全局变量即可被所有线程共享。 4. futex的同步机制所有的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。 5. 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。 6. 示例
编译运行:
7. 总结1)futex变量的特征:1)位于共享的用户空间中 2)是一个32位的整型 3)对它的操作是原子的 参考: https://blog.csdn.net/jianchaolv/article/details/7544316 https://root1iu.github.io/2019/01/07/%E5%88%9D%E8%AF%86futex/ |
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