futex机制介绍「建议收藏」

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

1、概念
futex： a sort of fast, user-space mutual exclusion primitive. 
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。
https://lwn.net/Articles/172149/
https://lwn.net/Articles/360699/
2、futex的由来
为什么要有futex，他解决什么问题？何时加入内核的？我们来看下
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。
前面的概念已经说了，futex是一种用户态和内核态混合同步机制，为什么会是用户态+内核态，听起来有点复杂，由于我们应用程序很多场景下多线程都是非竞争的，也就是说多任务在同一时刻同时操作临界区的概率是比较小的，大多数情况是没有竞争的，在早期内核同步互斥操作必须要进入内核态，由内核来提供同步机制，这就导致在非竞争的情况下，互斥操作扔要通过系统调用进入内核态。
我们来看一下程序
程序1：
pthread_mutex_t lock;
int count = 0;
void thread1()
{

    while(1)
    {

        pthread_mutex_lock(&lock);
        /* do something */
        count++;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}
void thread2()
{

    while(1)
    {

        sleep(60);
        pthread_mutex_lock(&lock);
        count = 0;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}
pthread_create(&tid1, NULL, thread1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, thread1, NULL);

假设系统中有2个程序，一个线程在滴答自增，一个线程周期性清除计数器。显然两个线程同时进入临界区的几率相当小，在未实现futex机制之前，每次调用pthread_mutex_lock和unlock都要通过syscall进入内核，内核检查该锁的拥有者，发现没有人持则返回到用户态，因为大部分时间2个线程并没有争抢互斥锁。显然大部分时间在做无用功，时间浪费在user->kernel和kernel→usr的切换，显然这个锁的性能不太好，因为存在大量user→kernel、kernel→usr的切换，例子可能不太恰当，get到点就好。

那么如何解决这个问题？
就像前面说的，采用用户态+内核态混合机制，在用户态使用原子操作，对持有锁的持有情况进行判断，如果锁可以占用，那么更新锁的状态并直接占用，不需要进入内核态，如果锁已经占用，则进入内核态挂起当前任务，事实上这些操作对程序员不可见的，一般都是由C库提实现好了。
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。
2002年的ols文档，在linux-2.5.7引入了futex。
https://www.kernel.org/doc/ols/2002/ols2002-pages-479-495.pdf

2、内核配置：
在内核配置选项中可以看到，默认是勾选的。 CONFIG_FUTEX=Y
 [*] Enable futex support
CONFIG_FUTEX: │
│ │
│ Disabling this option will cause the kernel to be built without │
│ support for “fast userspace mutexes”. The resulting kernel may not │
│ run glibc-based applications correctly.
从CONFIG_FUTEX的注释中我们可以发现，我们会发现一个问题，注释说如果CONFIG_FUTEX=N，则生成的内核可能不能正常运行glibc应用程序。为什么会这样？
从上面futex例子我们可以看出，在Semaphores和mutex的实现过程中使用了futex，说明glibc库使用了futex，而其他的常用的同步手段也是建立在futex机制上，包括用户态下的操作和核心态下的操作。
未完–待续