ИМЯ

futex - быстрая блокировка в пользовательском пространстве

ОБЗОР

#include <linux/futex.h>

ОПИСАНИЕ

Ядро Linux предоставляет фьютексы (futexes, «быстрые мьютексы (mutexes,
взаимоисключающие блокировки) в пользовательском пространстве») в качестве
строительного блока для быстрой блокировки в пользовательском пространстве и
семафоров. Фьютексы очень просты и полезны для создания высокоуровневых абстракций
блокировок, таких как мьютексы, условных переменных, блокировок чтения-записи,
барьеров и семафоров.

Большинство программистов, фактически, не используют фьютексы напрямую, а
полагаются на системные библиотеки, которые на них построены, такие как Native
POSIX Thread Library (NPTL) (смотрите pthreads(7)).

Фьютекс отождествляется с участком памяти, который может быть общим для процессов
или нитей. В этих процессах фьютекс может быть доступен по разным адресам. В своей
основе фьютекс имеет семантику семафора; это счётчик, который можно увеличивать и
уменьшать атомарно; процессы могут ждать пока значение не станет положительным.

Работа с фьютексом выполняется полностью в пользовательском пространстве при
отсутствии конфликта (noncontended case). Ядро привлекается только для разрешения
конфликтов. Так как все проектные решения стремятся к отсутствию конфликтов,
фьютексы также оптимизированы под эту ситуацию.

В своей основе фьютекс — это целое число, которое изменяется только атомарными
инструкциями ассемблера. Это целое число размером 4 байта на всех платформах.
Процессы могут совместно использовать это число посредством mmap(2), сегментов
общей памяти или общего пространства памяти (share memory space, в этом случае
приложение, обычно, называют многонитевым).

Поведение
Любое действие с фьютексом начинается в пользовательском пространстве, но может
потребовать обращения к ядру через системный вызов futex(2).

Для «установки» фьютекса выполняются соответствующие ассемблерные инструкции,
которые заставляют ЦП машины атомарно увеличить целое число. Далее проверяется,
было ли действительно изменено значение с 0 на 1, то есть не было ожидающих и
операция выполнена. Это бесконфликтный вариант, выполняется быстро и должен
возникать чаще всего.

При возникновении конфликта, атомарное увеличение изменяет счётчик с -1 (или
другого отрицательного числа). Это означает, что есть ожидающие. В
пользовательском пространстве теперь нужно присвоить счётчику 1 и дать команду
ядру пробудить всех ожидающих с помощью операции FUTEX_WAKE.

Ожидание фьютекса, его «сброс», является обратной операцией. Происходит атомарное
уменьшение счётчика и проверка того, стал ли он равен 0, то есть операция
выполнена и фьютекс был неконфликтным. Во всех других случаях, процесс должен
присвоить счётчику -1 и запросить ядро об ожидании другого процесса,
устанавливающего фьютекс. Это выполняется с помощью операции FUTEX_WAIT.

В системном вызове futex(2) можно указать время ожидания, то есть как долго ядро
должно ждать установку фьютекса, В этом случае семантика более сложна и
абстракцией для конечных пользователей. Использующие их программисты должны иметь
хороший запас знаний об ассемблере и уметь читать исходный код библиотеки
фьютексов для пользовательского пространства, указанной далее.

В этой справочной странице показано самое распространённое использование
примитивов futex(2), которое ни в коем случае не единственное.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ

clone(2), futex(2), get_robust_list(2), set_robust_list(2), set_tid_address(2),
pthreads(7)

Fuss, Futexes and Furwocks: Fast Userlevel Locking in Linux (доклад с Ottawa Linux
Symposium 2002), пример в библиотеке futex, futex-*.tar.bz2 ⟨ftp://ftp.kernel.org
/pub/linux/kernel/people/rusty/⟩.