futex - Verrous rapide dans l'espace utilisateur.

#include <linux/futex.h>

Le noyau Linux propose des Futex (Fast Userpace muTex) en guise de blocs de base pour des verrous et sémaphores dans l'espace utilisateur. Ils sont très simples et servent à implémenter des abstrations de plus haut niveau comme les mutex Posix.

Cette page ne documente pas toutes les décisions de conception mais se contente des informations nécessaires pour le développeur d'application ou de bibliothèque. La plupart des programmeurs n'utiliseront jamais les futex directement mais s'appuieront sur des bibliothèques les utilisant, comme l'implémentation NPTL des threads.

Un futex est identifié par une portion de mémoire qui peut être partagée entre processus. Dans chacun d'eux, il peut avoir une adresse différente. Dans sa forme brute, un futex se comporte comme un sémaphore ; il a un compteur que l'on incrémente et décrémente atomiquement, et les processus peuvent attendre que sa valeur soit positive.

Les opérations sur les Futex se font entièrement dans l'espace utilisateur lorsqu'il n'y a pas de conflits. Le noyau n'est impliqué que pour arbitrer les conflits. Comme toute conception sensée essayera d'éviter les conflits, les futex sont optimisés pour cette situation.

Dans sa forme la plus simple, un futex est un entier aligné, manipulé uniquement par des opérations assembleur atomiques. Les processus peuvent les partager par des projection mmap ou des segments de mémoire partagée, ce qui correspond au cas des applications multi-threads.

Toute opération sur les futex débute dans l'espace utilisateur, mais il peut être nécessaire d'invoquer le noyau avec l'appel-système futex(2).

Pour augmenter un futex, exécutez l'opération assembleur qui permet au CPU hôte d'incrémenter atomiquement un entier. Après, vérifiez s'il est passé de zéro à un, auquel cas il n'y avait pas d'attente et l'opération est terminée. C'est le cas sans conflit, rapide et courant.

S'il y avait un blocage, l'incrémentation atomique part d'un compteur à -1 (ou une autre valeur négative). Si c'est le cas, il y a des processus en attente. Il faut à présent mettre le compteur à 1 et demander au noyau de réveiller tous les processus en attente, à l'aide de l'opération FUTEX_WAKE.

Attendre sur un futex pour le décrémenter est l'opération inverse. Décrémentez le compteur et vérifiez s'il est descendu à zéro, auquel cas l'opération est terminée car le futex était libre. Dans tous les autres cas, le processus doit mettre le compteur à -1 et demander au noyau d'attendre qu'un autre processus libère le futex. Ceci est réalisé avec l'opération FUTEX_WAIT.

L'appel-système futex peut aussi recevoir un délai maximal d'attente pour que le futex soit incrémenté. Dans ce cas, la sémantique est plus complexe et le programmeur doit se reporter à futex(2) pour plus de détail. Idem pour les attentes asynchrones.

Répetons-le, les futex bruts ne sont pas conçus pour être utilisés facilement. Les implémenteurs sont supposés connaître l'assembleur et avoir lu les sources de la bibliothèque futex en espace utilisateur décrite plus bas.

Cette page illustre l'utilisation la plus courante des primitives futex(2) : ce n'est pas la seule.

Les futex ont été conçus et écrits par Hubertus Franke (IBM Thomas J. Watson Research Center), Matthew Kirkwood, Ingo Molnar (Red Hat) et Rusty Russell (IBM Linux Technology Center). Cette page a été écrite par Bert Hubert.

Le support initial des futex a été introduit dans Linux 2.5.7 avec une sémantique différente de celle décrite ci-dessus. La sémantique actuelle est disponible depuis Linux 2.5.40.

futex(2), `Fuss, Futexes and Furwocks: Fast Userlevel Locking in Linux' (proceedings of the Ottawa Linux Symposium 2002), futex example library, futex-*.tar.bz2 <URL:ftp://ftp.kernel.org:/pub/linux/kernel/people/rusty/>.

Christophe Blaess, 2003.