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分类: LINUX

2012-09-04 15:58:41

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
    #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。

下面给出一份示例代码。

[cpp:nogutter] view plaincopy
  1. /* 
  2.  * This sample show how to use futex betwen two process, and use system v  
  3.  * shared memory to store data 
  4.  */  
  5.   
  6. #include   
  7. #include   
  8. #include   
  9. #include   
  10. #include   
  11. #include   
  12. #include   
  13. #include   
  14. #include   
  15. #include   
  16. #include   
  17. #include   
  18.   
  19. #if __GLIBC_PREREQ(2, 3)      
  20. #if defined FUTEX_WAIT || defined FUTEX_WAKE   
  21. #include   
  22. #else  
  23. #define FUTEX_WAIT      0  
  24. #define FUTEX_WAKE      1  
  25. #endif  
  26.   
  27. #ifndef __NR_futex  
  28. #define __NR_futex     202  
  29. #endif  
  30. #endif  
  31.   
  32. #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR)  
  33.   
  34. const char shmfile[] = "/tmp";  
  35. const int size = 100;  
  36.   
  37. struct namelist   
  38. {  
  39.     int  id;   
  40.     char name[20];  
  41. };  
  42.   
  43. int   
  44. main(void)  
  45. {  
  46.     int fd, pid, status;      
  47.     int *ptr;  
  48.     struct stat stat;  
  49.           
  50.     // create a Posix shared memory  
  51.     int flags = O_RDWR | O_CREAT;  
  52.     fd = shm_open(shmfile, flags, FILE_MODE);  
  53.     if (fd < 0)  
  54.     {  
  55.         printf("shm_open failed, errormsg=%s errno=%d", strerror(errno), errno);  
  56.         return 0;  
  57.     }  
  58.     ftruncate(fd, size);  
  59.     ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);     
  60.   
  61.     pid = fork();  
  62.     if (pid == 0) { // child process  
  63.         sleep(5);  
  64.         printf("Child %d: start/n", getpid());  
  65.           
  66.         fd = shm_open(shmfile, flags, FILE_MODE);  
  67.         fstat(fd, &stat);         
  68.         ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);     
  69.         close(fd);  
  70.         struct namelist tmp;  
  71.   
  72.         // store total num in ptr[0];  
  73.         *ptr = 3;  
  74.           
  75.         namelist *cur = (namelist *)(ptr+1);  
  76.   
  77.         // store items  
  78.         tmp.id = 1;  
  79.         strcpy(tmp.name, "Nellson");  
  80.         *cur++ = tmp;  
  81.         tmp.id = 2;  
  82.         strcpy(tmp.name, "Daisy");  
  83.         *cur++ = tmp;  
  84.         tmp.id = 3;  
  85.         strcpy(tmp.name, "Robbie");  
  86.         *cur++ = tmp;  
  87.   
  88.         printf("wake up parent/n");  
  89.         syscall(__NR_futex ,ptr, FUTEX_WAKE, 1, NULL );  
  90.   
  91.         exit(0);  
  92.     } else// parent process  
  93.         printf("parent start waiting/n");  
  94.         syscall(__NR_futex , ptr, FUTEX_WAIT, *(int *)ptr, NULL );  
  95.         printf("parent end waiting/n");  
  96.   
  97.         struct namelist tmp;  
  98.   
  99.         int total = *ptr;  
  100.         printf("/nThere is %d item in the shm/n", total);     
  101.           
  102.         ptr++;  
  103.         namelist *cur = (namelist *)ptr;  
  104.   
  105.         for (int i = 0; i< total; i++) {  
  106.             tmp = *cur;  
  107.             printf("%d: %s/n", tmp.id, tmp.name);  
  108.             cur++;  
  109.         }  
  110.   
  111.         printf("/n");  
  112.         waitpid(pid, &status, 0);  
  113.     }  
  114.   
  115.     // remvoe a Posix shared memory from system  
  116.     printf("Parent %d get child status:%d/n", getpid(), status);  
  117.     return 0;  
  118. }  

 

 

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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