优先级反转之futex（一）

1、futex的引入        

        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。

具体调用过程如下：

 Glibc库中实现有pthread_mutex_lock()/pthread_mutex_unlock()等用户态锁接口，以提供快速的futex机制。

2、futex的系统调用

/include/linux/syscall.h

asmlinkage long sys_futex(u32 __user *uaddr, int op, u32 val,struct timespec __user *utime, u32 __user *uaddr2,u32 val3);

系统调用号：

#define __NR_futex 191

__SYSCALL(191, sys_futex, 5)

/kernel/futex.c SYSCALL_DEFINE6(futex, u32 __user *, uaddr, int, op, u32, val, struct timespec __user *, utime, u32 __user *, uaddr2, u32, val3) {...... return do_futex(uaddr, op, val, tp, uaddr2, val2, val3); ...... }

    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。定义位于/include/linux/futex.h

    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。

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。 

参考资料：

http://blog.chinaunix.net/uid-7295895-id-3011238.html