futex内核实现源码分析（2）

相关数据结构

由上一章节可知，futex变量创建于用户空间，在进程或线程间共享，当进程或线程想要进入临界区时，通常会判断futex变量是否满足条件，若满足则成功进入临界区，否则则阻塞在该futex变量上；当进程或线程将要离开临界区时，则会唤醒阻塞在futex变量上的其他进程或线程。在内核中通过struct futex_q结构将一个futex变量与一个挂起的进程（线程）关联起来。

struct futex_q：

struct futex_q {
    struct plist_node list;      //链表节点，链入链表
    struct task_struct *task; //挂起在该futex变量关联的进程（线程）
    spinlock_t *lock_ptr;      //自旋锁，控制链表访问
    union futex_key key;     //futex变量地址标识

       //下面三个与优先级继承相关
    struct futex_pi_state *pi_state;
    struct rt_mutex_waiter *rt_waiter;
    union futex_key *requeue_pi_key;
     
    u32 bitset;     //类似掩码匹配
};

union futex_key：futex变量地址标识

union futex_key {
    struct {
        unsigned long pgoff;
        struct inode *inode;
        int offset;
    } shared;     //不同进程间通过文件共享futex变量，表明该变量在文件中的位置
    struct {
        unsigned long address;
        struct mm_struct *mm;
        int offset;
    } private;  //同一进程的不同线程共享futex变量，表明该变量在进程地址空间中的位置
    struct {
        unsigned long word;
        void *ptr;
        int offset;
    } both;
};

在内核中通过一个哈希表来维护所有挂起阻塞在futex变量上的进程（线程），不同的futex变量会根据其地址标识计算出一个hash key定位到一个哈希桶链上，因此挂起阻塞在同一个futex变量的所有进程（线程）会定位到同一个哈希桶链上。

struct futex_hash_bucket ：

struct futex_hash_bucket {
    spinlock_t lock;                 //自旋锁，用于控制chain的访问，struct futex_q 中lock_ptr，就是引用其所在的哈希桶链的自旋锁，方便操作
    struct plist_head chain;     //优先级链，与传统等待队列不同，futex使用优先级链表来实现等待队列，是为了实现优先级继承，从而解决优先级翻转问题
};

futex哈希表：

static struct futex_hash_bucket futex_queues[1<

同一进程下不同线程阻塞在futex变量模型：

futex.jpg

内核fuetx初始化，初始化futex哈希表的每一个哈希桶链的头。

linux/kernel/futex.c
static int __init futex_init(void)
{
    int i;

    futex_detect_cmpxchg();

    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(futex_queues); i++) {
        plist_head_init(&futex_queues[i].chain);
        spin_lock_init(&futex_queues[i].lock);
    }

    return 0;
}