[Pthread] Linux中的线程同步机制 -- Futex

转自http://blog.csdn.net/Javadino/archive/2008/09/06/2891385.aspx

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，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
    #include
    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。

那么应该如何使用Futex，它和glibc又有什么关系呢？下次继续。

在linux中进行多线程开发，同步是不可回避的一个问题。在POSIX标准中定义了三种线程同步机制: Mutexes(互斥量), Condition Variables(条件变量)和POSIX Semaphores(信号量)。NPTL基本上实现了POSIX，而glibc又使用NPTL作为自己的线程库。因此glibc中包含了这三种同步机制的实现(当然还包括其他的同步机制，如APUE里提到的读写锁)。

Glibc中常用的线程同步方式举例:

Semaphore：
变量定义：    sem_t sem;
初始化：      sem_init(&sem,0,1);
进入加锁:     sem_wait(&sem);
退出解锁:     sem_post(&sem);

Mutex:
变量定义：    pthread_mutex_t mut;
初始化：      pthread_mutex_init(&mut,NULL);
进入加锁:     pthread_mutex_lock(&mut);
退出解锁:     pthread_mutex_unlock(&mut);


这些用于同步的函数和futex有什么关系？下面让我们来看一看:
以Semaphores为例，
进入互斥区的时候，会执行sem_wait(sem_t *sem)，sem_wait的实现如下：
int sem_wait (sem_t *sem)
{
  int *futex = (int *) sem;
  if (atomic_decrement_if_positive (futex) > 0)
    return 0;
  int   err = lll_futex_wait (futex, 0);
    return -1;
)
atomic_decrement_if_positive()的语义就是如果传入参数是正数就将其原子性的减一并立即返回。如果信号量为正，在Semaphores的语义中意味着没有竞争发生，如果没有竞争，就给信号量减一后直接返回了。

如果传入参数不是正数，即意味着有竞争，调用lll_futex_wait(futex,0),lll_futex_wait是个宏，展开后为：
#define lll_futex_wait(futex, val) \
  ({                                          \
    ...
    __asm __volatile (LLL_EBX_LOAD                          \
              LLL_ENTER_KERNEL                          \
              LLL_EBX_LOAD                          \
              : "=a" (__status)                          \
              : "0" (SYS_futex), LLL_EBX_REG (futex), "S" (0),          \
            "c" (FUTEX_WAIT), "d" (_val),                  \
            "i" (offsetof (tcbhead_t, sysinfo))              \
              : "memory");                          \
    ...                                      \
  })
可以看到当发生竞争的时候，sem_wait会调用SYS_futex系统调用，并在val=0的时候执行FUTEX_WAIT,让当前线程休眠。

从这个例子我们可以看出，在Semaphores的实现过程中使用了futex，不仅仅是说其使用了futex系统调用(再重申一遍只使用futex系统调用是不够的)，而是整个建立在futex机制上，包括用户态下的操作和核心态下的操作。其实对于其他glibc的同步机制来说也是一样,都采纳了futex作为其基础。所以才会在futex的manual中说：对于大多数程序员不需要直接使用futexes，取而代之的是依靠建立在futex之上的系统库，如NPTL线程库(most programmers will in fact not be using futexes directly but instead rely on system libraries built on them, such as the NPTL pthreads implementation)。所以才会有如果在编译内核的时候不 Enable futex support，就"不一定能正确的运行使用Glibc的程序"。

小结:
1. Glibc中的所提供的线程同步方式，如大家所熟知的Mutex,Semaphore等，大多都构造于futex之上了，除了特殊情况，大家没必要再去实现自己的futex同步原语。
2. 大家要做的事情，似乎就是按futex的manual中所说得那样: 正确的使用Glibc所提供的同步方式，并在使用它们的过程中，意识到它们是利用futex机制和linux配合完成同步操作就可以了。
    
如果只是阅读理解，到这里也就够了，不过我们需要用实际行动印证一下，我们的理解是否正确。在实际使用过程中还遇到什么样的问题？ 下次继续。

上回说到Glibc中(NPTL)的线程同步方式如Mutex,Semaphore等都使用了futex作为其基础。那么实际使用是什么样子，又会碰到什么问题呢？
先来看一个使用semaphore同步的例子。

sem_t sem_a;
void *task1();

int main(void){
 int ret=0;
 pthread_t thrd1;
 sem_init(&sem_a,0,1);
 ret=pthread_create(&thrd1,NULL,task1,NULL); //创建子线程
 pthread_join(thrd1,NULL); //等待子线程结束
}

void *task1()
{
  int sval = 0;
  sem_wait(&sem_a); //持有信号量
  sleep(5); //do_nothing
  sem_getvalue(&sem_a,&sval);
  printf("sem value = %d\n",sval);
  sem_post(&sem_a); //释放信号量
}

程序很简单，我们在主线程(执行main的线程)中创建了一个线程，并用join等待其结束。在子线程中，先持有信号量，然后休息一会儿，再释放信号量，结束。
因为这段代码中只有一个线程使用信号量，也就是没有线程间竞争发生，按照futex的理论，因为没有竞争，所以所有的锁操作都将在用户态中完成，而不会执行系统调用而陷入内核。我们用strace来跟踪一下这段程序的执行过程中所发生的系统调用:
...
20533 futex(0xb7db1be8, FUTEX_WAIT, 20534, NULL
20534 futex(0x8049870, FUTEX_WAKE, 1)   = 0
20533 <... futex resumed> )             = 0
... 
20533是main线程的id,20534是其子线程的id。出乎我们意料之外的是这段程序还是发生了两次futex系统调用，我们来分析一下这分别是什么原因造成的。

1. 出人意料的"sem_post()"
20534 futex(0x8049870, FUTEX_WAKE, 1)   = 0
子线程还是执行了FUTEX_WAKE的系统调用，就是在sem_post(&sem_a);的时候，请求内核唤醒一个等待在sem_a上的线程,其返回值是0，表示现在并没有线程等待在sem_a(这是当然的，因为就这么一个线程在使用sem_a)，这次futex系统调用白做了。这似乎和futex的理论有些出入，我们再来看一下sem_post的实现。
int sem_post (sem_t *sem)
{
  int *futex = (int *) sem;
  int nr = atomic_increment_val (futex);
  int err = lll_futex_wake (futex, nr);
  return 0;
}
我们看到，Glibc在实现sem_post的时候给futex原子性的加上1后，不管futex的值是什么，都执行了lll_futex_wake(),即futex(FUTEX_WAKE)系统调用。
在第二部分中(见前文)，我们分析了sem_wait的实现，当没有竞争的时候是不会有futex调用的，现在看来真的是这样，但是在sem_post的时候，无论有无竞争，都会调用sys_futex()，为什么会这样呢？我觉得应该结合semaphore的语义来理解。在semaphore的语义中，sem_wait()的意思是："挂起当前进程，直到semaphore的值为非0，它会原子性的减少semaphore计数值。" 我们可以看到,semaphore中是通过0或者非0来判断阻塞或者非阻塞线程。即无论有多少线程在竞争这把锁，只要使用了semaphore，semaphore的值都会是0。这样，当线程推出互斥区，执行sem_post(),释放semaphore的时候，将其值由0改1，并不知道是否有线程阻塞在这个semaphore上，所以只好不管怎么样都执行futex(uaddr, FUTEX_WAKE, 1)尝试着唤醒一个进程。而相反的，当sem_wait()，如果semaphore由1变0，则意味着没有竞争发生，所以不必去执行futex系统调用。我们假设一下，如果抛开这个语义，如果允许semaphore值为负，则也可以在sem_post()的时候，实现futex机制。

2. 半路杀出的"pthread_join()"
那另一个futex系统调用是怎么造成的呢? 是因为pthread_join();
在Glibc中，pthread_join也是用futex系统调用实现的。程序中的pthread_join(thrd1,NULL); 就对应着 
20533 futex(0xb7db1be8, FUTEX_WAIT, 20534, NULL
很好解释，主线程要等待子线程(id号20534上)结束的时候，调用futex(FUTEX_WAIT)，并把var参数设置为要等待的子线程号(20534)，然后等待在一个地址为0xb7db1be8的futex变量上。当子线程结束后，系统会负责把主线程唤醒。于是主线程就
20533 <... futex resumed> )             = 0
恢复运行了。
要注意的是，如果在执行pthread_join()的时候，要join的线程已经结束了，就不会再调用futex()阻塞当前进程了。

3. 更多的竞争。
我们把上面的程序稍微改改: 
在main函数中:
int main(void){
 ...
 sem_init(&sem_a,0,1);
 ret=pthread_create(&thrd1,NULL,task1,NULL);
 ret=pthread_create(&thrd2,NULL,task1,NULL);
 ret=pthread_create(&thrd3,NULL,task1,NULL);
 ret=pthread_create(&thrd4,NULL,task1,NULL);
 pthread_join(thrd1,NULL);
 pthread_join(thrd2,NULL);
 pthread_join(thrd3,NULL);
 pthread_join(thrd4,NULL);
 ...
}

这样就有更的线程参与sem_a的争夺了。我们来分析一下，这样的程序会发生多少次futex系统调用。
1) sem_wait()
    第一个进入的线程不会调用futex，而其他的线程因为要阻塞而调用，因此sem_wait会造成3次futex(FUTEX_WAIT)调用。
2) sem_post()
    所有线程都会在sem_post的时候调用futex, 因此会造成4次futex(FUTEX_WAKE)调用。
3) pthread_join()
    别忘了还有pthread_join()，我们是按thread1, thread2, thread3, thread4这样来join的，但是线程的调度存在着随机性。如果thread1最后被调度，则只有thread1这一次futex调用，所以pthread_join()造成的futex调用在1-4次之间。(虽然不是必然的，但是4次更常见一些)    
所以这段程序至多会造成3+4+4=11次futex系统调用，用strace跟踪，验证了我们的想法。
19710 futex(0xb7df1be8, FUTEX_WAIT, 19711, NULL
19712 futex(0x8049910, FUTEX_WAIT, 0, NULL
19713 futex(0x8049910, FUTEX_WAIT, 0, NULL
19714 futex(0x8049910, FUTEX_WAIT, 0, NULL
19711 futex(0x8049910, FUTEX_WAKE, 1
19710 futex(0xb75f0be8, FUTEX_WAIT, 19712, NULL
19712 futex(0x8049910, FUTEX_WAKE, 1
19710 futex(0xb6defbe8, FUTEX_WAIT, 19713, NULL
19713 futex(0x8049910, FUTEX_WAKE, 1
19710 futex(0xb65eebe8, FUTEX_WAIT, 19714, NULL
19714 futex(0x8049910, FUTEX_WAKE, 1)   = 0
(19710是主线程，19711，19712，19713,19714是4个子线程)

4. 更多的问题
事情到这里就结束了吗？ 如果我们把semaphore换成Mutex试试。你会发现当自始自终没有竞争的时候，mutex会完全符合futex机制，不管是lock还是unlock都不会调用futex系统调用。有竞争的时候，第一次pthread_mutex_lock的时候不会调用futex调用，看起来还正常。但是最后一次pthread_mutex_unlock的时候，虽然已经没有线程在等待mutex了，可还是会调用futex(FUTEX_WAKE)。这又是什么原因造成的呢？留给感兴趣的同学去分析吧。

小结：
1. 虽然semaphore，mutex等同步方式构建在futex同步机制之上。然而受其语义等的限制，并没有完全按futex最初的设计实现。
2. pthread_join()等函数也是调用futex来实现的。
3. 不同的同步方式都有其不同的语义，不同的性能特征，适合于不同的场景。我们在使用过程中要知道他们的共性，也得了解它们之间的差异。这样才能更好的理解多线程场景，写出更高质量的多线程程序。

至此futex的学习就告一段落了，希望对大家有所帮助。