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Futex学习笔记

1.Futex同步机制简介

Futex是fastuserspacemutex的缩写，意思是快速⽤户空间互斥体。它由HubertusFranke，MatthewKirkwood，IngoMolnarRusty

Russell设计并维护。我们这⾥讨论Futex是因为在Android中不但线程函数中使⽤到了Futex，甚⾄⼀些模块中在直接使⽤Futex作为进程间

同步的⼿段，了解Futex的原理将有助于我们更深⼊的理解这些模块的运⾏机制。

Linux从2.5.7开始⽀持Futex。在Unix系统中，传统的进程间同步机制都是通过对内核对象操作来完成的，这个内核对象在需要同步的进程中

都是可见的，进程间的同步是通过系统调⽤在内核中完成。这种同步⽅式因为涉及⽤户态和内核态的切换，效率⽐较低。⽽且只要使⽤了传

统的同步机制，进⼊临界区时即使没有其他的进程竞争也必须切换到内核态来检查内核同步对象的状态，这种不必要的切换显然带来了⼤量

的浪费。

Futex就是为了解决这个问题⽽诞⽣的。Futex是⼀种⽤户态和内核态混合的同步机制，使⽤Futex同步机制，如果⽤于进程间同步，需要先

调⽤mmap创建⼀块共享内存，Futex变量就位于共享区。同时对Futex变量的操作必须是原⼦的，当进程试图进⼊临界区或者退出临界区的

时候，⾸先检查共享内存中的Futex变量，如果没有其他的进程也申请使⽤临界区，则只修改Futex变量⽽不再执⾏系统调⽤。如果同时有其

他进程在申请使⽤临界区，还是需要通过系统调⽤去执⾏等待或唤醒操作。这样通过⽤户态的Futex变量的控制，减少了进程在⽤户态和内

核态之间切换的次数，从⽽减少了系统同步的开销。

futex(fastuserspacemutex)是Linux的⼀个基础组件，可以⽤来构建各种更⾼级别的同步机制，⽐如锁或者信号量等等，POSIX信号量就是

基于futex构建的。

传统的SystemVIPC(interprocesscommunication)进程间同步机制都是通过内核对象来实现的，以semaphore为例，当进程间要同步的时

候，必须通过系统调⽤semop(2)进⼊内核进⾏PV操作。

futex的解决思路是：在⽆竞争的情况下操作完全在userspace进⾏，不需要系统调⽤，仅在发⽣竞争的时候进⼊内核去完成相应的处理(wait

或者wakeup)。所以说，futex是⼀种usermodekernelmode混合的同步机制，需要两种模式合作才能完成，futex变量必须位于user

space，⽽不是内核对象，futex的代码也分为usermodekernelmode两部分，⽆竞争的情况下在usermode，发⽣竞争时则通过sys_futex

系统调⽤进⼊kernelmode进⾏处理。

2.Futex⽤户态操作

Futex的系统调⽤FUTEX_WAITFUTEX_WAKE只是⽤来挂起或者唤醒进程，Futex的同步机制还包括⽤户态下的判断操作。⽤户态下的

操作没有固定的函数调⽤，只是⼀种检测共享变量的⽅法。下⾯将介绍如何将Futex⽤于临界区。

⾸先需要创建⼀个整型计数器作为Futex变量，如果是进程间同步，这个变量必须位于共享内存。Futex变量的初始值为0。

当进程或线程尝试持有锁的时候，检查Futex变量的值是否为0。如果是，则将Futex变量的值设为1以后再继续，如果不是，将Futex变量的

值设为2以后再执⾏FUTEX_WAIT()的系统调⽤进⼊等待。

前⾯的值0表⽰⽆锁的状态，1表⽰有锁⽆竞争的状态，2表⽰有竞争的状态。

当进程或线程释放锁的时候，如果Futex变量的值为1，说明没有其他的线程在等待锁，这样把Futex变量的值设为0就结束了。如果Futex变

量的值为2，说明还有线程在等待锁，将Futex变量的值设为0，同时还需要执⾏FUTEX_WAKE()系统调⽤来唤醒等待的进程。

在对Futex变量操作时，⽐较和赋值操作必须是原⼦的。Bionic提供了⽤于这种原⼦操作的函数__bionic_cmpxchg()，这个函数的原型如

下：

int__bionic_cmpxchg(int32_told_value,int32_tnew_value,volatileint32_t*ptr)

这个函数会⽐较ptr地址中的值old_value的值，相等则将new_value赋予ptr指向的地址。函数如果成功则返回0，否则返回⾮0。

3.Futex系统调⽤

在Li