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futex2

作者:

André Almeida <andrealmeid@collabora.com>

futex，或快速用户互斥锁，是一组系统调用，允许用户空间创建高性能的同步机制，例如用户空间中的互斥锁、信号量和条件变量。C 标准库（如 glibc）使用它作为实现更高层次接口（如 pthreads）的手段。

futex2 是初始 futex 系统调用的后续版本，旨在克服原始接口的限制。

用户 API

futex_waitv()

等待一个 futex 数组，唤醒任何一个

futex_waitv(struct futex_waitv *waiters, unsigned int nr_futexes,
            unsigned int flags, struct timespec *timeout, clockid_t clockid)

struct futex_waitv {
      __u64 val;
      __u64 uaddr;
      __u32 flags;
      __u32 __reserved;
};

用户空间设置一个 struct futex_waitv 数组（最多 128 个条目），使用 uaddr 表示要等待的地址，val 表示期望的值，flags 表示类型（例如私有）和 futex 的大小。__reserved 需要为 0，但可以用于将来的扩展。数组中第一项的指针作为 waiters 传递。waiters 或任何 uaddr 的无效地址都会返回 -EFAULT。

如果用户空间有 32 位指针，则应进行显式转换以确保高位为零。uintptr_t 可以处理技巧，并且适用于 32/64 位指针。

nr_futexes 指定数组的大小。超出 [1, 128] 区间的数字将使系统调用返回 -EINVAL。

系统调用的 flags 参数需要为 0，但可以用于将来的扩展。

对于 waiters 数组中的每个条目，将 uaddr 的当前值与 val 进行比较。如果不同，系统调用将撤消到目前为止完成的所有工作并返回 -EAGAIN。如果所有测试和验证都成功，系统调用将等待，直到发生以下情况之一

  • 超时时间到期，返回 -ETIMEOUT。

  • 信号发送到睡眠任务，返回 -ERESTARTSYS。

  • 列表中某个 futex 被唤醒，返回某个被唤醒的 futex 的索引。

有关如何使用该接口的示例，请参见 tools/testing/selftests/futex/functional/futex_waitv.c。

超时

struct timespec *timeout 参数是一个可选参数，指向绝对超时。您需要在 clockid 参数中指定使用的时钟类型。支持 CLOCK_MONOTONIC 和 CLOCK_REALTIME。此系统调用仅接受 64 位 timespec 结构。

futex 的类型

futex 可以是私有的或共享的。私有用于共享同一内存空间的进程，所有进程的 futex 的虚拟地址将相同。这允许内核进行优化。要使用私有 futex，需要在 futex 标志中指定 FUTEX_PRIVATE_FLAG。对于不共享同一内存空间，因此同一 futex 可能具有不同虚拟地址的进程（例如，使用文件支持的共享内存），需要不同的内部机制才能正确排队。这是默认行为，它适用于私有和共享 futex。

Futex 可以有不同的大小：8、16、32 或 64 位。目前，唯一支持的是 32 位大小的 futex，并且需要使用 FUTEX_32 标志指定。