FUTEX(7)

名前
futex - 高速ユーザー空間ロック機構

書式
#include <linux/futex.h>

説明

Linux カーネルは、ユーザー空間で高速なロック機構やセマフォを使用するための 基礎的要素として futex ("Fast user-space mutexes"; 高速ユーザー空間 mutex) を 提供している。 futex は非常に基本的なもので、より高位なロック機構の概念 (mutex、状態変数 (condition variables)、読み書きロック、セマフォなど) を構築するのに利用されている。

実際のところ、多くのプログラマーは futex を直接使うことはなく、 Native POSIX スレッドライブラリ (NPTL; pthreads(7) 参照) などの futex を使って作られたシステムライブラリを使うことだろう。

futex はプロセス間やスレッド間で共有することのできるメモリー片で識別される。 これらの異なるプロセスで、futext が同じアドレスである必要はない。 裸の姿では futex のセマンティクスはセマフォと同じである。 futex は不可分操作で (atomically) インクリメントしたりデクリメントしたりできる カウンターで、プロセスは値が正になるのを待つことができる。

futex の操作は、競合がない場合には完全にユーザー空間で行なわれる。 カーネルは競合が起こった場合の仲裁に関与するだけである。 良識ある設計では競合が起こらないよう努力するが、 futex も競合状態に関して最適化されている。

裸の姿では、 futex は不可分なアセンブリ命令でのみ操作される アラインメントの揃った整数である。この整数の大きさはすべてのプラットフォームで 4 バイトである。複数のプロセスはこの int 型変数を、 mmap(2) を用いるか、 共有メモリーセグメントを介するか、 メモリー空間を共有する (この場合、 アプリケーションは一般的にマルチスレッドであると呼ばれる) か方法で共有する。

  セマンティクス

futex の操作はすべてユーザー空間から始まるが、必要に応じて futex(2) システムコールを用いてカーネルと通信する。

futex を "up" するには、 ホスト CPU に対し int 型変数を不可分操作でインクリメントするような、 適切なアセンブリ命令を実行する。 そのあと、実際に 0 から 1 に変化したかどうかをチェックし、 変化していれば待ちプロセス (waiter) はないということであり、操作は完了する。 これは競合のない場合であり、高速でよく起こるはずである。

競合がある場合、不可分操作のインクリメントでカウンターは -1 (または他の負の数) から変化する。これが検出されると、待ちプロセスがあるということである。 ユーザー空間ではカウンターを 1 に設定し、 FUTEX_WAKE を用いてカーネルに待ちプロセスを wake (起床) させるよう指示する。

futex の獲得を待つ、すなわち futex を "down" するには反対の操作を行なう。 不可分操作でカウンターをデクリメントし、カウンターが 0 に変化したかどうかを チェックする。変化していれば操作は完了し futex は競合していないということである。 0 にならなかった場合、プロセスはカウンターを -1 に設定し、 他のプロセスがその futex を up するのを待つようカーネルに要求しなければならない。 これは FUTEX_WAIT を行なうことで実現される。

futex(2) システムコールには、省略可能な引数としてタイムアウトを渡すことができ、 カーネルはその futex が up されるのをどれくらいの期間待つべきかを 指定することができる。この場合、セマンティクスはもっと複雑になるため、 より詳細な情報を得るにはプログラマは futex(2) を参照すること。 同じページに非同期の futex 待ちについても記されている。

バージョン

最初の futex 対応は Linux 2.5.7 で組み込まれたが、 上記のセマンティクスとは異なる。 現在のセマンティクスは Linux 2.5.40 以降で利用可能である。

注意

再び繰り返しておくが、裸の futex はエンドユーザーが容易に使える概念として 意図されたものではない。 実装者は、アセンブリ言語に慣れており、以下に挙げる futex ユーザー空間ライブラリの ソースを読み終えていることが要求される。

このマニュアルページには futex(2) プリミティブの最も一般的な使用法が 記されている。これは決して唯一の使用法ではない。

関連項目
clone(2), futex(2), get_robust_list(2), set_robust_list(2), set_tid_address(2), pthreads(7)

Fuss, Futexes and Furwocks: Fast Userlevel Locking in Linux (proceedings of the Ottawa Linux Symposium 2002), futex の使用例ライブラリ, futex-*.tar.bz2 ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/people/rusty/.

この文書について
この man ページは Linux man-pages プロジェクトのリリース 5.10 の一部である。プロジェクトの説明とバグ報告に関する情報は https://www.kernel.org/doc/man-pages/ に書かれている。