用户态快速互斥锁

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用户态快速互斥锁

基本概念

Futex(Fast userspace mutex,用户态快速互斥锁)是内核提供的一种系统调用能力,通常作为基础组件与用户态的相关锁逻辑结合组成用户态锁,是一种用户态与内核态共同作用的锁,例如用户态mutex锁、barrier与cond同步锁、读写锁。其用户态部分负责锁逻辑,内核态部分负责锁调度。

当用户态线程请求锁时,先在用户态进行锁状态的判断维护,若此时不产生锁的竞争,则直接在用户态进行上锁返回;反之,则需要进行线程的挂起操作,通过Futex系统调用请求内核介入来挂起线程,并维护阻塞队列。

当用户态线程释放锁时,先在用户态进行锁状态的判断维护,若此时没有其他线程被该锁阻塞,则直接在用户态进行解锁返回;反之,则需要进行阻塞线程的唤醒操作,通过Futex系统调用请求内核介入来唤醒阻塞队列中的线程。

运行机制

当用户态产生锁的竞争或释放需要进行相关线程的调度操作时,会触发Futex系统调用进入内核,此时会将用户态锁的地址传入内核,并在内核的Futex中以锁地址来区分用户态的每一把锁,因为用户态可用虚拟地址空间为1GiB,为了便于查找、管理,内核Futex采用哈希桶来存放用户态传入的锁。

当前哈希桶共有80个,0~63号桶用于存放私有锁(以虚拟地址进行哈希),64~79号桶用于存放共享锁(以物理地址进行哈希),私有/共享属性通过用户态锁的初始化以及Futex系统调用入参确定。

图 1 Futex设计图

如图1,每个futex哈希桶中存放被futex_list串联起来的哈希值相同的futex node,每个futex node对应一个被挂起的task,node中key值唯一标识一把用户态锁,具有相同key值的node被queue_list串联起来表示被同一把锁阻塞的task队列。

Futex有以下三种操作:

表 1 Futex模块接口

功能分类

接口名称

描述

设置线程等待

OsFutexWait

向Futex表中插入代表被阻塞的线程的node

唤醒被阻塞线程

OsFutexWake

唤醒一个被指定锁阻塞的线程

调整锁的地址

OsFutexRequeue

调整指定锁在Futex表中的位置

说明: Futex系统调用通常与用户态逻辑共同组成用户态锁,故推荐使用用户态POSIX接口的锁。