linux : 锁实现原理

futex

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In computing, a futex (short for "fast userspace mutex") is a Linux kernel system call that programmers can use to implement basic locking, or as a building block for higher-level locking abstractions such as semaphores and POSIX mutexes or condition variables.

A futex consists of a kernelspace wait queue that is attached to an aligned integer in userspace. Multiple processes or threads operate on the integer entirely in userspace (using atomic operations to avoid interfering with one another), and only resort to relatively expensive system calls to request operations on the wait queue (for example to wake up waiting processes, or to put the current process on the wait queue). A properly programmed futex-based lock will not use system calls except when the lock is contended; since most operations do not require arbitration between processes, this will not happen in most cases.

background

在传统的Unix系统中，System V IPC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。

introduction

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。

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:

#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

uaddr: 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(一共5种):

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。
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。

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。