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1. 概念

Futex 是Fast Userspace muTexes的缩写，由Hubertus Franke, Matthew Kirkwood, Ingo Molnar and Rusty Russell共同设计完成。

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。

2.1 函数原型

#include <linux/futex.h>
#include <sys/time.h>

int futex(int *uaddr, int op, int val, const struct timespec *timeout,
           int *uaddr2, int val3);

2.2 参数

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，例如：

• 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
• 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。

2.3 返回值

RETURN VALUE
       In the event of an error, all operations return -1, and set errno to indicate the error.  The return value on success depends on the operation, as described in the following list:

       FUTEX_WAIT
              Returns 0 if the process was woken by a FUTEX_WAKE call.  See ERRORS for the various possible error returns. （如果进程被 FUTEX_WAKE 调用唤醒，则返回 0，关各种可能的错误返回，请参阅 ERRORS）

       FUTEX_WAKE 
              Returns the number of processes woken up. （返回被唤醒的进程数）

       FUTEX_FD
              Returns the new file descriptor associated with the futex.（返回与 futex 关联的新文件描述符）

       FUTEX_REQUEUE
              Returns the number of processes woken up.（返回被唤醒的进程数）

       FUTEX_CMP_REQUEUE
              Returns the number of processes woken up.（返回被唤醒的进程数）


ERRORS
       EACCES No read access to futex memory.（没有对 futex 内存的读访问）

       EAGAIN FUTEX_CMP_REQUEUE detected that the value pointed to by uaddr is not equal to the expected value val3.  (This probably indicates a race; use the safe FUTEX_WAKE now.) （FUTEX_CMP_REQUEUE 检测到 uaddr 指向的值不等于期望值 val3）

       EFAULT Error retrieving timeout information from user space.（从用户空间检索超时信息时出错）

       EINTR  A FUTEX_WAIT operation was interrupted by a signal (see signal(7)) or a spurious wakeup.（FUTEX_WAIT 操作被信号（请参阅信号（7））或虚假唤醒中断）

       EINVAL Invalid argument.

       ENFILE The system limit on the total number of open files has been reached.（已达到系统对打开文件总数的限制。）

       ENOSYS Invalid operation specified in op.（op中指定的无效操作）

       ETIMEDOUT
              Timeout during the FUTEX_WAIT operation.（FUTEX_WAIT 操作超时）

       EWOULDBLOCK
              op was FUTEX_WAIT and the value pointed to by uaddr was not equal to the expected value val at the time of the call.（op 是 FUTEX_WAIT 并且 uaddr 指向的值不等于调用时的预期值 val。）

2.4 FUTEX_WAIT

这个是futex_op参数上一种选择，即如果uaddr上所指向的futex值和val值相同，则将当前进程/线程会阻塞在uaddr所指向的futex值上，并等待*uaddr的FUTEX_WAKE操作；如果*uaddr != val，那么futex(2)失败并返回伴着EAGAIN错误码。

如果参数timeout非空，那么timeout指向的结构体会指定休眠的时间。(此时间间隔会向上取到系统时间的粒度，并保证不会提前到期)。timeout默认会根据CLOCK_MONOTONIC时钟来计算，但从Linux4.5开始，可以在futex_op上指定FUTEX_CLOCK_REALTIME来选择CLOCK_REALTIME时钟。如果timeout为空，那么调用会无限期阻塞。

2.5 FUTEX_WAKE

FUTEX_WAKE操作可以唤醒最多val个在uaddr指向的futex字上的等待者。最常见的是val为1，表示唤醒一个等待者，或者val为INT_MAX，表示唤醒所有等待者。不保证某个等待者被唤醒。比如说不保证高调度优先级的等待者先于低优先级等待者被唤醒。

3. futex对象

futex对象是一个32位的值，其地址提供给系统调用futex().futex对象在所有平台都是32位。所有futex操作都受这个值(futex)管理。为了在进程间共享一个futex值，futex通常放在共享内存中。这导致在不同的进程中，futex有不一样的虚拟地址的值，不过其指向的物理地址都是一样的。在多线程的程序中，只需将futex值作为全局变量即可被所有线程共享。

4. futex的同步机制

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。

5. 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。

6. 示例

#define _GNU_SOURCE
#include <linux/futex.h>    //for FUTEX_WAIT FUTEX_WAKE
#include <sys/time.h>       //for struct timespec
#include <sys/syscall.h>    //for SYS_futex
#include <unistd.h>         //for syscall
#include <sys/mman.h>       //for mmap
#include <stdint.h>         //for uint32_t
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#define error_handle(msg) do{perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);} while(0)

int futex(int* uaddr, int futex_op, int val, const struct timespec *timeout,
            int *uaddr2, int val3) 
{
    return syscall(SYS_futex, uaddr, futex_op, val, timeout, uaddr2, val3);
}

void futex_wait(int *futexp)
{
    while(1) {
        //通过一个循环来避免多个线程占用同一个futex的情况
        if(__sync_bool_compare_and_swap(futexp, 1, 0)){
            break;
        }

        int s = futex(futexp, FUTEX_WAIT, 0, NULL, NULL, 0);
        //判断被唤醒后,再占有futex，此时futexp是否会被futex改为0
        printf("futexp = %d\n", *futexp);
        if(s == -1) {
            error_handle("futex: ");
        } 
    }
}

void futex_post(int* futexp) 
{
    if(__sync_bool_compare_and_swap(futexp, 0, 1)) {
        //这里有一个情况是，将futex值加1后，还没进行下一步唤醒，有新线程过来
        //则新线程会获得futex的所有权
        int s = futex(futexp, FUTEX_WAKE, 1, NULL , NULL, 0);
        if(s == -1) {
            error_handle("futex FUTEX_WAKE:");
        }
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int *futexes = (int *)mmap(NULL, sizeof(uint32_t) * 2, PROT_READ | PROT_WRITE,
            MAP_ANONYMOUS | MAP_SHARED, -1, 0);
    if(futexes == MAP_FAILED) {
        error_handle("mmap:");
    }
    int *futex1 = &futexes[0];
    int *futex2 = &futexes[1];
    *futex1 = 1;    //child 先走
    *futex2 = 0;    //parent 默认阻塞
    int rt = fork();
    if(rt == -1) {
        error_handle("fork");
    }

    if(rt == 0) {   //child
        for(int i = 0; i < 3; ++i) {
            futex_wait(futex1);
            printf("child %d\n", i);
            futex_post(futex2);
        }
    } else {
        for(int i = 0; i < 3; ++i) {
            futex_wait(futex2);
            printf("parent %d\n", i);
            futex_post(futex1);
        }
    }
    return 0;
}

编译运行：

[root@192 futex]# gcc futex.c -o futex
[root@192 futex]# ./futex
child 0
futexp = 1
parent 0
futexp = 1
child 1
futexp = 1
parent 1
futexp = 1
child 2
futexp = 1
parent 2
[root@192 futex]# 

7. 总结

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。

参考：

https://blog.csdn.net/jianchaolv/article/details/7544316

https://root1iu.github.io/2019/01/07/%E5%88%9D%E8%AF%86futex/