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
链接:https://www.jianshu.com/p/d17a6152740c
来源:简书
简书著作权归作者所有,任何形式的转载都请联系作者获得授权并注明出处。
futex的设计与实现的更多相关文章
- [转载] Linux Futex的设计与实现
Linux Futex的设计与实现 引子 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 ...
- Linux Futex的设计与实现(转)
引子在编译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" ...
- 【转】Linux Futex的设计与实现
引子在编译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" ...
- 【转】cve2014-3153 漏洞之详细分析与利用
背景学习: Linux Futex的设计与实现 使用者角度看bionic pthread_mutex和linux futex实现 By kernux TopSec α-lab 一 漏洞概述 这个漏洞是 ...
- linux 内核的futex
futex是linux内核为用户空间实现锁等同步机制而设计的同步排队(队列queueing)服务.在futex.c的注释中,futex起源于"Fast Userspace Mutex&quo ...
- linux 内核的futex - requeue 以及 requeue-pi
futex为更好支持pthread_cond的实现(,最主要是broadcast),设计了requeue功能,并以futex系统调用提供操作接口,包括一对配对的操作 futex_wait_requeu ...
- linux 内核的各种futex
futex 设计成用户空间快速锁操作,由用户空间实现fastpath,以及内核提供锁竞争排队仲裁服务,由用户空间使用futex系统调用来实现slowpath.futex系统调用提供了三种配对的调用接口 ...
- linux 内核的futex pi-support,即pi-futex使用rt_mutex委托
futex的pi-support,也就是为futex添加pi算法解决优先级逆转的能力,使用pi-support的futex又称为pi-futex.在linux内核的同步机制中,有一个pi算法的成例,就 ...
- 转载:futex同步机制详解
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", ...
随机推荐
- docker发展历程
docker发展历程 docker本身不是容器,它只是一个更加易用的前端管理器. 最早期的容器技术概念是用chroot来实现隔离,但是chroot只是提供了对进程文件目录虚拟化的功能,不能防止进程恶意 ...
- IAR使用ST-Link下载仿真
修改Debugger->Setup->Driver 选择ST-LINK 修改 ST-LINK ->Interface选择SWD,CPU clock配置单片机CPU系统时钟. 修改De ...
- ASP.NET 中TextBox设置ReadOnly="true" 无法取到值的做法
当 TextBox设置了ReadOnly="true" 后,要是在前台为控件添加了值,后台是取不到的,值为“空” 原理没想通,说不清楚微软是出于什么考虑的,https://www. ...
- 小顶堆第二弹-----堆降序排序(C语言非递归)
现在po一下C语言版本的,留作以后接口使用. 1 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define HEAP_SIZE 100 #d ...
- P4315 月下“毛景树”[树剖]
题目描述 毛毛虫经过及时的变形,最终逃过的一劫,离开了菜妈的菜园. 毛毛虫经过千山万水,历尽千辛万苦,最后来到了小小的绍兴一中的校园里. 爬啊爬~爬啊爬毛毛虫爬到了一颗小小的"毛景树&quo ...
- 32位JVM和64位JVM的最大堆内存分别是多数?32位和64位的JVM,int类型变量的长度是多数?
理论上说上 32 位的 JVM 堆内存可以到达 2^32,即 4GB,但实际上会比这个小很多.不同操作系统之间不同,如 Windows 系统大约 1.5 GB,Solaris 大约 3GB.64 位 ...
- go语言-从控制套获取用户输入
一.使用fmt.Scanln()--获取一行的输入 //案例:从控制台获取姓名,年龄,薪水,是否通过 package main import "fmt" func main() { ...
- 学习Spring-Data-Jpa(七)---JpaRepository
之前我们学习的Repository都是Spring-Data为了兼容NoSQL而进行的一些抽象封装,从JpaRepository开始是对关系型数据库进行抽象封装.JpaRepository位于spri ...
- SSM整合Dubbo案例
一.Consumer子类 MyController类 @Controller @RequestMapping("/login") public class MyController ...
- Error Permission denied when running brew cleanup
Error Permission denied when running brew cleanup When I try to run `brew cleanup` I get: Warning: S ...