在编译2.6内核的时候,你会在编译选项中看到[*] Enable futex support这一项,上网查,有的资料会告诉你"不选这个内核不一定能正确的运行使用glibc的程序",那futex是什么?和glibc又有什么关系呢?

1. 什么是Futex
Futex 是Fast Userspace muTexes的缩写,由Hubertus Franke, Matthew Kirkwood, Ingo Molnar and Rusty Russell共同设计完成。几位都是linux领域的专家,其中可能Ingo Molnar大家更熟悉一些,毕竟是O(1)调度器和CFS的实现者。

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。
其原型和系统调用号为
    #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
        
    虽然参数有点长,其实常用的就是前面三个,后面的timeout大家都能理解,其他的也常被ignore。
    uaddr就是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。定义的有5中,这里我简单的介绍一下两种,剩下的感兴趣的自己去man futex
    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。
        
3. Futex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。

4. 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。 
    
小结:
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
2. Futex在程序low-contention的时候能获得比传统同步机制更好的性能。
3. 不要直接使用Futex系统调用。
4. Futex同步机制可以用于进程间同步,也可以用于线程间同步。

注:笔者没有找到原文出处,若有朋友发现,麻烦及时告知,谢谢!

转载:futex同步机制详解的更多相关文章

  1. [转载]JavaScript 运行机制详解:再谈Event Loop

    https://app.yinxiang.com/shard/s8/sh/b72fe246-a89d-434b-85f0-a36420849b84/59bad790bdcf6b0a66b8b93d5e ...

  2. java synchronized 线程同步机制详解

    Java语言的关键字,当它用来修饰一个方法或者一个代码块的时候,能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码. 一.当两个并发线程访问同一个对象object中的这个synchronized(this ...

  3. Java 反射 设计模式 动态代理机制详解 [ 转载 ]

    Java 反射 设计模式 动态代理机制详解 [ 转载 ] @author 亦山 原文链接:http://blog.csdn.net/luanlouis/article/details/24589193 ...

  4. 【转载】Android应用AsyncTask处理机制详解及源码分析

    [工匠若水 http://blog.csdn.net/yanbober 转载烦请注明出处,尊重分享成果] 1 背景 Android异步处理机制一直都是Android的一个核心,也是应用工程师面试的一个 ...

  5. “全栈2019”Java多线程第三十二章:显式锁Lock等待唤醒机制详解

    难度 初级 学习时间 10分钟 适合人群 零基础 开发语言 Java 开发环境 JDK v11 IntelliJ IDEA v2018.3 文章原文链接 "全栈2019"Java多 ...

  6. “全栈2019”Java多线程第二十四章:等待唤醒机制详解

    难度 初级 学习时间 10分钟 适合人群 零基础 开发语言 Java 开发环境 JDK v11 IntelliJ IDEA v2018.3 文章原文链接 "全栈2019"Java多 ...

  7. [转]JavaScript异步机制详解

    原文: https://www.jianshu.com/p/4ea4ee713ead --------------------------------------------------------- ...

  8. 浏览器 HTTP 协议缓存机制详解

    最近在准备优化日志请求时遇到了一些令人疑惑的问题,比如为什么响应头里出现了两个 cache control.为什么明明设置了 no cache 却还是发请求,为什么多次访问时有时请求里带了 etag, ...

  9. Android事件传递机制详解及最新源码分析——ViewGroup篇

    版权声明:本文出自汪磊的博客,转载请务必注明出处. 在上一篇<Android事件传递机制详解及最新源码分析--View篇>中,详细讲解了View事件的传递机制,没掌握或者掌握不扎实的小伙伴 ...

随机推荐

  1. 80X86寄存器介绍

    80X86寄存器介绍  32位CPU所含有的寄存器有: 4个数据寄存器(EAX.EBX.ECX和EDX)2个变址和指针寄存器(ESI和EDI) 2个指针寄存器(ESP和EBP)6个段寄存器(ES.CS ...

  2. Entity Framework(五):使用配置伙伴创建数据库

    在上一篇文章中讲了如何使用fluent API来创建数据表,不知道你有没有注意到一个问题.上面的OnModelCreating方法中,我们只配置了一个类Product,也许代码不是很多,但也不算很少, ...

  3. java----序列化与反序列化中及java序列化本质就是存储一个对象,然后在其他地方在调用它

    Java 序列化Serializable详解(附详细例子) 1.什么是序列化和反序列化Serialization(序列化)是一种将对象以一连串的字节描述的过程:反序列化deserialization是 ...

  4. SharePoint Survey WebPart 调查 Web部件

    SharePoint Survey WebPart 调查 Web部件 Web部件下载地址 点击此处下载. 安装激活Web部件 过程简单此处省略. 项目描写叙述 调查是SharePoint中协同门户的一 ...

  5. Modify the server ports

    在eclipse中配置好tomcat后,如今有需求须要在一个eclipse启动两个tomcat甚至很多其它,仅仅改动tomcat的8080port肯定不行的,详细须要改动tomcat的shutdown ...

  6. 利用QtGraphicalEffects来使得自己的图像显示更加生动

    有兴趣的开发人员能够參阅连接http://doc.qt.io/qt-5/qtgraphicaleffects-qmlmodule.html来深度学习Qt对Graphics方面的处理. 在今天的这篇文章 ...

  7. centos7安装avahi

    sudo yum install avahi sudo yum install avahi-tools 转自: http://unix.stackexchange.com/questions/1829 ...

  8. error: Please reinstall the libcurl distribution - easy.h should be in &lt;curl-dir&gt;/include/curl/

    运行php-5.3.10 --enable-mbstring --enable-ftp --enable-gd-native-ttf --with-openssl --enable-pcntl --e ...

  9. CStringArray序列化处理

    开发中需要对CStringArray进行保存操作,涉及到序列化,特总结一下: //写 CStringArray saTmp1; CStringArray saTmp2 saTmp1.AddString ...

  10. hdu 1560(IDA*)

    题目链接:http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=1560 思路:关键是启发式函数h()的构造,我们可以这样想:每次给主串增加一个字符和字符串的最后一位比较 ...