零、前言

所謂的鎖，在計算機里本質上就是一塊內存空間。當這個空間被賦值為 1 的時候表示加鎖了，被賦值為 0 的時候表示解鎖了，僅此而已。

多個線程搶一個鎖，就是搶著要把這塊內存賦值為 1 。在一個多核環境里，內存空間是共享的，每個核上各跑一個線程，那如何保證一次只有一個線程成功搶到鎖呢？你或許已經猜到了，這必須要硬件的某種保證。

在單核的情況下，關閉 CPU 中斷，使其不能暫停當前請求而處理其他請求，從而達到賦值“鎖”對應的內存空間的目的。

在多核的情況下，使用鎖總線和緩存一致性技術（詳情看這里），可以實現在單一時刻，只有某個CPU里面某一個核能夠賦值“鎖”對應的內存空間，從而達到鎖的目的。

實際上 mutex 底層的實現 API 為 Futex 。

一、什么是 Futex ？

Futex 是 Fast Userspace Mutexes 的縮寫。

Futex 按英文翻譯過來就是快速用戶空間互斥體。其設計思想其實不難理解，在傳統的 Unix 系統中，System V IPC（inter process communication），如 semaphores，msgqueues，sockets 還有文件鎖機制（flock()）等進程間同步機制都是對一個內核對象操作來完成的，這個內核對象對要同步的進程都是可見的，其提供了共享的狀態信息和原子操作。當進程間要同步的時候必須要通過系統調用（如semop()）在內核中完成。可是經研究發現，很多同步是無競爭的，即某個進程進入互斥區，到再從某個互斥區出來這段時間，常常是沒有進程也要進這個互斥區或者請求同一同步變量的。但是在這種情況下，這個進程也要陷入內核去看看有沒有人 和它競爭，退出的時侯還要陷入內核去看看有沒有進程等待在同一同步變量上。這些不必要的系統調用(或者說內核陷入)造成了大量的性能開銷。

為了解決上述這個問題，Futex 就應運而生，Futex 是一種用戶態和內核態混合的同步機制。首先，同步的進程間通過 mmap 共享一段內存，futex 變量就位于這段共享的內存中且操作是原子的，當進程嘗試進入互斥區或者退出互斥區的時候，先去查看共享內存中的 futex 變量，如果沒有競爭發生，則只修改 futex，而不用再執行系統調用了。當通過訪問 futex 變量告訴進程有競爭發生，則還是得執行系統調用去完成相應的處理（wait 或者 wake up）。簡單的說，futex 就是通過在用戶態的檢查，（motivation）如果了解到沒有競爭就不用陷入內核了，大大提高了 low-contention 時候的效率。 Linux 從 2.5.7 開始支持 Futex 。

二、Futex 系統調用

Futex 是一種用戶態和內核態混合機制，所以需要兩個部分合作完成，linux 上提供了 sys_futex 系統調用，對進程競爭情況下的同步處理提供支持。其原型和調用號為

#include <linux/futex.h>#include <sys/time.h>int futex (int *uaddr, int op, int val, const struct timespec *timeout,int *uaddr2, int val3);#define __NR_futex 240

雖然參數有點長，其實常用的就是前面三個，后面的 timeout 大家都能理解，其他的也常被 ignore。

uaddr 就是用戶態下共享內存的地址，里面存放的是一個對齊的整型計數器。

op 存放著操作類型。定義的有 5 種，這里我簡單的介紹一下兩種，剩下的感興趣的自己去 man futex

• ????FUTEX_WAIT：原子性的檢查 uaddr 中計數器的值是否為 val，如果是則讓進程休眠，直到 FUTEX_WAKE 或者超時（time-out）。也就是把進程掛到 uaddr 相對應的等待隊列上去。

• ????FUTEX_WAKE：最多喚醒 val 個等待在 uaddr 上進程。

可見 FUTEX_WAIT 和 FUTEX_WAKE 只是用來掛起或者喚醒進程，當然這部分工作也只能在內核態下完成。有些人嘗試著直接使用 futex 系統調用來實現進程同步，并寄希望獲得 futex 的性能優勢，這是有問題的。應該區分 futex 同步機制和 futex 系統調用。futex 同步機制還包括用戶態下的操作，我們將在下節提到。

三、Futex 同步機制

所有的 futex 同步操作都應該從用戶空間開始，首先創建一個 futex 同步變量，也就是位于共享內存的一個整型計數器。

當進程嘗試持有鎖或者要進入互斥區的時候，對 futex 執行"down"操作，即原子性的給 futex 同步變量減 1。如果同步變量變為 0，則沒有競爭發生， 進程照常執行。如果同步變量是個負數，則意味著有競爭發生，需要調用 futex 系統調用的 futex_wait 操作休眠當前進程。

當進程釋放鎖或者要離開互斥區的時候，對 futex 進行"up"操作，即原子性的給 futex 同步變量加 1 。如果同步變量由 0 變成 1 ，則沒有競爭發生，進程照常執行。如果加之前同步變量是負數，則意味著有競爭發生，需要調用 futex 系統調用的 futex_wake 操作喚醒一個或者多個等待進程。

這里的原子性加減通常是用 CAS（Compare and Swap）完成的，與平臺相關。CAS的基本形式是：CAS（addr、old、new），當 addr 中存放的值等于 old 時，用 new 對其替換。在 x86 平臺上有專門的一條指令來完成它：cmpxchg 。

可見：futex 是從用戶態開始，由用戶態和核心態協調完成的。

四、進 / 線程利用 futex 同步

進程或者線程都可以利用 futex 來進行同步。

對于線程，情況比較簡單，因為線程共享虛擬內存空間，虛擬地址就可以唯一的標識出 futex 變量，即線程用同樣的虛擬地址來訪問 futex 變量。

對于進程，情況相對復雜，因為進程有獨立的虛擬內存空間，只有通過 mmap() 讓它們共享一段地址空間來使用 futex 變量。每個進程用來訪問 futex 的 虛擬地址可以是不一樣的，只要系統知道所有的這些虛擬地址都映射到同一個物理內存地址，并用物理內存地址來唯一標識 futex 變量。

五、小結

Futex 變量的特征：1）位于共享的用戶空間中；2）是一個32位的整型；3）對它的操作是原子的。

Futex 在程序 low-contention 的時候能獲得比傳統同步機制更好的性能。

不要直接使用 Futex 系統調用。

Futex 同步機制可以用于進程間同步，也可以用于線程間同步。

關于 Futex 部分轉載于：https://www.cnblogs.com/ck1020/p/6666298.html

（SAW：Game Over！）
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的OS / linux / 互斥锁实现原理（futex）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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