1# 用户态快速互斥锁<a name="ZH-CN_TOPIC_0000001078912732"></a> 2 3- [基本概念](#section643519912920) 4- [运行机制](#section16834132502910) 5 6## 基本概念<a name="section643519912920"></a> 7 8Futex\(Fast userspace mutex，用户态快速互斥锁\)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。 9 10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。 11 12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。 13 14## 运行机制<a name="section16834132502910"></a> 15 16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。 17 18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。 19 20**图 1** Futex设计图<a name="fig651353710598"></a> 21 22 23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。 24 25Futex有以下三种操作： 26 27**表 1** Futex模块接口 28 29<a name="table1316220185211"></a> 30<table><thead align="left"><tr id="row191622182021"><th class="cellrowborder" valign="top" width="27.09270927092709%" id="mcps1.2.4.1.1"><p id="p13162121815218"><a name="p13162121815218"></a><a name="p13162121815218"></a>功能分类</p> 31</th> 32<th class="cellrowborder" valign="top" width="26.52265226522652%" id="mcps1.2.4.1.2"><p id="p12162618623"><a name="p12162618623"></a><a name="p12162618623"></a>接口<strong id="b197068338312"><a name="b197068338312"></a><a name="b197068338312"></a>名称</strong></p> 33</th> 34<th class="cellrowborder" valign="top" width="46.384638463846386%" id="mcps1.2.4.1.3"><p id="p16162118427"><a name="p16162118427"></a><a name="p16162118427"></a>描述</p> 35</th> 36</tr> 37</thead> 38<tbody><tr id="row04981218910"><td class="cellrowborder" valign="top" width="27.09270927092709%" headers="mcps1.2.4.1.1 "><p id="p6462616696"><a name="p6462616696"></a><a name="p6462616696"></a>设置线程等待</p> 39</td> 40<td class="cellrowborder" valign="top" width="26.52265226522652%" headers="mcps1.2.4.1.2 "><p id="p164931214913"><a name="p164931214913"></a><a name="p164931214913"></a>OsFutexWait</p> 41</td> 42<td class="cellrowborder" valign="top" width="46.384638463846386%" headers="mcps1.2.4.1.3 "><p id="p8504121996"><a name="p8504121996"></a><a name="p8504121996"></a>向Futex表中插入代表被阻塞的线程的node</p> 43</td> 44</tr> 45<tr id="row7162101814216"><td class="cellrowborder" valign="top" width="27.09270927092709%" headers="mcps1.2.4.1.1 "><p id="p37331032985"><a name="p37331032985"></a><a name="p37331032985"></a>唤醒被阻塞线程</p> 46</td> 47<td class="cellrowborder" valign="top" width="26.52265226522652%" headers="mcps1.2.4.1.2 "><p id="p816311185217"><a name="p816311185217"></a><a name="p816311185217"></a>OsFutexWake</p> 48</td> 49<td class="cellrowborder" valign="top" width="46.384638463846386%" headers="mcps1.2.4.1.3 "><p id="p161632181721"><a name="p161632181721"></a><a name="p161632181721"></a>唤醒一个被指定锁阻塞的线程</p> 50</td> 51</tr> 52<tr id="row101631818620"><td class="cellrowborder" valign="top" width="27.09270927092709%" headers="mcps1.2.4.1.1 "><p id="p146111936887"><a name="p146111936887"></a><a name="p146111936887"></a>调整锁的地址</p> 53</td> 54<td class="cellrowborder" valign="top" width="26.52265226522652%" headers="mcps1.2.4.1.2 "><p id="p71633181125"><a name="p71633181125"></a><a name="p71633181125"></a>OsFutexRequeue</p> 55</td> 56<td class="cellrowborder" valign="top" width="46.384638463846386%" headers="mcps1.2.4.1.3 "><p id="p151631718124"><a name="p151631718124"></a><a name="p151631718124"></a>调整指定锁在Futex表中的位置</p> 57</td> 58</tr> 59</tbody> 60</table> 61 62> **说明：** 63>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。 64 65
