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",但它并非只是一个Mutex,而是用户空间线程(pthread)同步机制的底层服务。它的基本设计有三点,1.同步对象可以在进程之使用,并且保证同步对象的内部状态访问有序,2.当同步对象没有竞争的情况下,可以在用户空间快速完成(fastpath),3.当同步对象发生竞争时,必须进入内核使用futex系统提供的排队机制进行仲裁(slowpath),仲裁胜出的任务(进程或线程)必须返回到用户空间完成同步对象的其它状态的修改 。
futex在用户空间只是一个地址对齐的整形,它是用户空间的同步委托给内核的futex系统,futex访问的同步对象内部状态。
内核中的futex系统设计了三个基本结构。futex_key,futex_queue, 以及futex_hash_bucket。
futex_key:是一个使用用户空间中futex的地址,以及地址的映射对象作为键的标识,它是futex可以在进程间共享使用的保证。
futex_hash_bucket:是一个等待队列,内核内建一般为cpu个数的8倍的等待队列。futex根据它的futex_key进行hash后的值,共享对于编号的等待队列。
futex_queue:代表一个任务(进程或线程)在某个futex上的等待关系,是等待队列的链表入口,链入到futex_hash_bucket队列中。
注意的是,每个futex_hash_bucket都有一个spinlock进行同步访问,它实现的队列是prio list,基于priority(优先级)的有序队列。
futex系统提供了基本的同步接口futex_wait(uaddr, flags, val, timeout, bitset)和futex_wake(uaddr, flags, nr_wake, bitset)。
futex_wait:就是排队然后阻塞(睡眠调度)。查找对应队列,队列入队操作,睡眠调度。
futex_wake:就是唤醒阻塞队列的任务(进程或线程)。查找对应队列,队列出队操作,唤醒任务。
调用futex系统调用时,必须传入futex的地址uaddr,以及地址的内存属性flags,同时才能标识出这个futex。futex系统根据futex的地址属性决定生成的key是否需要第二个因素,映射的对象(mm或inode)。当使用文件映射页面,进行进程间共享时,key不能使用虚拟地址进行标识,而要使用映射的物理页面号进行标识。所以在这里大致可以看到,锁的开销随跨越的边界越大而增加。访问页面管理必须进行同步,访问文件系统也必须进行同步。
所以通过uaddr和flags进行futex系统调用,就可以在主机内得到唯一的标识,让futex_wake可以找回进行futex_wait的futex。
futex设计为Fast Userspace Mutex,就是可以让用户空间的实现的Lock和Unlock操作拥有fastpath快速路径,只在没有锁竞争的时候。
如何使用futex实现在用户空间快速的锁,以pthread的lowlevellock为例。
pthread的lowlevellock将futex的锁状态定义为3种:
0,无锁,可以进行快速上锁,不需要使用futex系统调用。
1,上锁,但没有锁竞争。如果这时有其它任务需要上锁,就必须标记futex为状态锁竞争,然后使用futex系统服务。
2,锁竞争,有其它任务将要或正在内核的futex系统中排队等待着锁的使用。
在无锁状态进行Lock,以及非锁竞争的持锁状态进行Unlock都不必须进行futex系统调用。
上锁和解锁,对锁状态的修改在用户空间中完成,锁竞争通过futex系统调用完成。futex系统调用并不进行上锁和解锁操作,只负责排队服务,也就是说futex系统调用并不理会也不必要知道用户空间是如何定义futex的锁状态的。
futex系统的排队服务,通过hash链表,每一个等待都会分配到由futex_key计算出的hash链表上进行排队。hash链表是共享的链表,多个futex的等待可能会共享同一个hash链表,而一个futex的等待只会分配到相同的hash链表上。因为futex_key是唯一的。每一个hash链表都是一个prio有序链表,等待在排队时需要根据阻塞的任务的优先级进行排序插入。
上面是futex提供的最基本的功能,pthread_mutex使用futex_wait和futex_wake实现它的lock和unlock操作。
futex.c文件的注释告诉我们,futex从纳入到linux内核开始就不断增加它的功能,使它更加通用,更好地支持用户空间编程的同步服务。
futex requeueing 随futex纳入到linux内核添加。
robust futex,更加健壮的futex,持有基于futex的锁的任务退出而没有释放,使阻塞于这个锁的其它任务得以解放。
pi-futex,使用rt_mutex代理排队服务,同时使用rt_mutex的PI优先级继承算法,增加futex的功能。
private futexes,优化进程内的futex,因为futex最初被设计,局限于当时的内核,是基于多进程考虑的。
Requeue-PI,一种对non-pi-futex到pi-futex之间的requeue进行优化。
requeue这一功能广泛使用在pthread_cond,换过来说就是为实现pthread_cond而设计的。
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