futex(2) 快速用户态互斥体使用简介

这两天复习分布式系统，顺便看了一下 Linux 下的 futex(2) 同步机制。

简单来说，futex(2) 是一个新的同步机制，在作用方面与一般的 mutex 比较相似。使用 futex(2) 进行同步的两个执行体必须通过一段共享的内存空间关联起来——这段内存空间可以具有相同或者不同的进程中地址，只要它们映射到同一块核心中内存地址即可——因此，线程和进程（通过 sysvshm 关联）都可以利用 futex 进行同步。
futex(2) 支持两个操作，分别是等待（wait）和唤醒（wake）。futex(2) 的系统接口是 int futex (void *futex, int op, int val, const struct timespec *timeout) ，这里第一个参数 futex 指向被映射的内存地址，op 表示操作类型，timeout 表示阻塞时间，而 val 对于不同的值具有不同的意义。在使用者角度，futex(2) 相比 pthread_mutex / pthread_condition_variable 和 sysv semaphore，有一些独一无二的特色。

futex 的等待操作可以指定条件。将常量 FUTEX_WAIT 作为参数传递给 futex 作为第二个参数 op 的值，这个时候第三个参数 op 的值将作为一个比较对象。当 *(int *)futex == val 的时候，调用体将被阻塞直到 timeout 时间到达，或者被其它执行体唤醒。如果 *(int *)futex != val，则锁定过程会被直接跳过。系统通过精心编写的汇编代码，保证了这个 load-and-compare 过程的原子性。这个进行比较的过程是完全在用户态完成的，也就是说，如果值不相等，不符合等待的条件，则这个“系统调用”并不会切换进内核态执行，也就比其它的同步方式少了至少一次内核态往返切换的损耗。这也是 futex 名字（Fast Userspace muTEX）的来历。
futex 的 wake 可以指定被唤醒的进程数。用常量 FUTEX_WAKE 传递给 op 表示唤醒操作，第三个值 val 表示了最多被唤醒的执行体数量。因此，用 futex 实现 semaphore 的“广播”和单一执行体的唤醒都是非常灵活便捷的。

futex(2) 和 futex(4) 一堆废话，偏偏没有一个示例代码。我在我的代码中
#include <linux/futex.h>
之后直接使用
futex( (void *)p, FUTEX_{WAIT|WAKE}, 0, (struct timespec *)NULL )
之后来回报了一堆错误。加上 -I /usr/src/linux/include 之后的错误是，连接器找不到 futex 函数的实现？！
从 rusty 的 kernel.org 页面下载了 futex-2.2.tar.gz，看了一下，里面是直接用 _syscall 定义了一个 sys_futex
_syscall4(int,sys_futex,
   int *, futex,
   int, op,
   int, val,
   struct timespec *, rel);
但是我用这个声明就怎么也过不去，错误就在 _syscall4 一行。从 Google 搜索了一下，发现有人说在旧版内核中 futex 接口没有被正式 export，只提供了 sys_futex 这个系统调用。于是我尝试把 _syscall 的第二个参数 sys_futex 改成 futex，这样才编译通过。看来是说在我的内核（2.6.11，FC4 标准内核）中，futex 已经被正式 export 了，只是暂时还没有被引入 Glibc 中。

一个简单的 post / wait 操作：

int wait_always( void *futexpos ) {
  // 0 if woken by FUTEX_WAKE
  return futex( futexpos, FUTEX_WAIT, *(int *)futexpos, NULL );
}

int  wait_eq( void *futexpos, int val ) {
  return futex( futexpos, FUTEX_WAIT, val, NULL );
}

int wake( void *futexpos, int num ) {
  // return #processes been woken up
  return futex( futexpos, FUTEX_WAKE, num, NULL );
}

上面代码中，传递给 wait_* 和 signal 的 futex 参数必须：1、是多线程程序中的同一地址；或 2、是某个 sysv shm 映射得到的内存地址中的同一地址；3、对某个非 /dev/zero 的文件（目前只测试了普通文件和/dev/zero）内存映射得到的地址，其中 mmap 必须具有 PROT_READ 权限。