Linux Futex学习笔记
Futex
简介
概述： Futex(Fast Userspace Mutex)是linux的一种特有机制，设计目标是避免传统的线程同步原语（如mutex、条件变量等）在用户空间和内核空间之间频繁的上下文切换。Futex允许在用户空间处理锁定和等待的操作，只有在必要时进入内核，从而减少了不必要的开销。
对比：
- SpinLock：如果上锁成功，立即进入临界区，开销很小；但是如果上锁失败，CPU空转，浪费资源
- Mutex：如果上锁失败，内核会切换到其他线程在CPU运行，不用自旋等待锁；但是即使是上锁成功也要进出内核，使用系统调用，会消耗几百个指令
- Futex：结合上述二者的优点，在用户态尝试上锁，上锁成功既可以不用进入内核态，上锁失败就通过系统调用睡眠，唤醒也要通过系统调用
- 在用户空间尝试加锁通常通过原子操作来完成，如CAS(Compare-And-Swap)或者其他无锁的原子操作
原理
本质： futex直接通过虚拟地址（是一个用户空间地址，通常是一个32位的锁变量字段，0表示空闲，1表示有线程持有当前锁）来处理锁，而不是像以前一样创建一个需要初始化以及跨进程全局内核句柄
用户空间地址： futex用户空间地址可以通过mmap系统调用分配，而mmap分配的内存有三种：匿名内存、共享内存段、内存映射文件。匿名内存只能用在同一进程的线程之间使用，而共享内存段和内存映射文件可以在多个进程之间使用
主要功能：
- Futex原子操作：用户空间线程首先执行一些原子操作（如使用atomic函数或cmpxchg指令）来尝试获取锁
- 短路路径：如果锁在用户空间已经被释放，线程可以直接在用户空间完成同步，无需涉及内核
- 等待：如果一个线程尝试获取的锁已经被另一个线程占用，它可以调用futex_wait()进入休眠
- 唤醒：当锁被释放，另一个线程可以调用futex_wake()唤醒等待的线程
涉及的系统调用：
-
futex()：允许用户空间线程等待或唤醒其他线程。
int futex(int *uddr, int op, int val, const struct timespec *timeout, int *uaddr2, int val2);- uaddr：用户空间地址，表示锁的位置
- val：如果是FUTEX_WAIT，表示原子性地检查uaddr中的值是否为val，如果是则让进程睡眠，否则返回错误；如果是FUTEX_WAKE，表示最多唤醒val个等待在uaddr上的进程
- op：操作类型：
- FUTEX_WAIT：等待操作，线程会阻塞，直到指定的内存地址值发生变化
- FUTEX_WAKE：唤醒操作，唤醒一个或多个等待该内存地址的线程
- timeout：可选的等待时间，如果为空，那么调用会无限期睡眠。timeout默认会根据CLOCK_MONOTONIC时钟来计算，从linux4.5开始，可以再futex_op上指定FUTEX_CLOCK_REALTIME来选择CLOCK_REALTIME时钟。
- uaddr2和val2在某些情况下用于双重条件等待
-
futex_wait()和futex_wake()是更高级的封装，用于在应用程序中更方便地实现等待和唤醒操作
实际应用
- pthread_mutex：在linux中，pthread_mutex是基于futex实现的。
- 内存屏障和自旋锁：在一些高效的同步机制中，futex也常常与自旋锁、内存屏障等技术结合使用
代码示例
代码仓库： 1037827920/Futex-Example-Program
futex本身的使用
Rust示例程序：（需要使用到libc crate）
use libc::{syscall, SYS_futex, SYS_gettid, FUTEX_WAIT, FUTEX_WAKE};
use std::{
panic,
sync::{
atomic::{AtomicU32, Ordering},
Arc,
},
thread,
time::Duration,
};
const FUTEX_INIT: u32 = 0x0000_0000;
const FUTEX_WAITERS: u32 = 0x8000_0000;
const FUTEX_TID_MASK: u32 = 0x3fff_ffff;
fn main() {
test_futex();
}
fn futex_wait(futex: &AtomicU32, thread: &str, tid: i64) {
loop {
// 如果当前futex没有被其他线程持有
if (futex.load(Ordering::SeqCst) & FUTEX_TID_MASK) == 0 {
futex.swap(tid as u32, Ordering::SeqCst);
// 加锁后直接返回，这样就不用执行系统调用，减少一定开销
println!(
"线程{thread}上锁成功, futex值: {:#x}",
futex.load(Ordering::SeqCst)
);
return;
}
// 线程进入等待状态
futex.fetch_or(FUTEX_WAITERS, Ordering::SeqCst);
println!(
"线程{thread}正在等待futex, futex值: {:#x}",
futex.load(Ordering::SeqCst)
);
let ret = unsafe {
syscall(
SYS_futex,
futex as *const AtomicU32 as *mut u32,
FUTEX_WAIT,
futex.load(Ordering::SeqCst),
0,
0,
0,
)
};
if ret == -1 {
panic!("futex_wait系统调用执行失败");
}
}
}
fn futex_wake(futex: &AtomicU32, thread: &str) {
let ret = unsafe {
syscall(
SYS_futex,
futex as *const AtomicU32 as *mut u32,
FUTEX_WAKE,
1,
0,
0,
0,
)
};
if ret == -1 {
panic!("futex_wake系统调用执行失败");
}
futex.store(FUTEX_INIT, Ordering::SeqCst);
println!("线程{thread}释放锁");
}
/// 测试基本的futex使用
fn test_futex() {
// futex用户空间地址
let futex = Arc::new(AtomicU32::new(0));
let futex_clone1 = futex.clone();
let futex_clone2 = futex.clone();
// 线程1
let thread1 = thread::spawn(move || {
let tid = unsafe { syscall(SYS_gettid) };
// 尝试获取锁
futex_wait(&futex_clone1, "1", tid);
// 执行具体的业务逻辑
thread::sleep(Duration::from_secs(5));
// 释放锁
futex_wake(&futex_clone1, "1");
});
// 线程2
let thread2 = thread::spawn(move || {
let tid = unsafe { syscall(SYS_gettid) };
// 尝试获取锁
futex_wait(&futex_clone2, "2", tid);
// 执行具体的业务逻辑
thread::sleep(Duration::from_secs(5));
// 释放锁
futex_wake(&futex_clone2, "2");
});
thread1.join().unwrap();
thread2.join().unwrap();
}
C示例程序：
#include 运行结果：
pthread_mutex的使用
C示例程序：
#include 原理浅析：
pthread_mutex_lock实际上会执行__pthread_mutex_lock ，然后这个函数实现里面会调用LLL_MUTEX_LOCK宏，这个宏会调用__lll_lock宏，在这个宏里面就会先尝试在用户态进行上锁（也就是通过CAS的原子操作进行上锁），然后上锁失败再调用__lll_lock_wait（或_\lll_lock_wait_private），这个函数在追踪下去就会执行futex_wait系统调用。这个流程就跟上面futex本身的使用差不多了。
想要看更详细的讲解可以看这个博客：pthread_mutex_lock实现 - pslydhh
参考
- futex技术分享
- 2022年南大操作系统课程——并发控制：互斥
- pthread_mutex_lock实现 - pslydhh