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Linux进程同步机制-Futex

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",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。

下面给出一份示例代码。

/* 
 * 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;  
}  

root:/home/ftpuser/ipc#g++ -o  futex -lrt futex.cc      root:/home/ftpuser/ipc#./futex parent start waiting Child 2825: start wake up parent parent end waiting

There is 3 item in the shm 1: Nellson 2: Daisy 3: Robbie

Parent 2824 get child status:0

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