sysdig ::scallslower::futex

参考: https://blog.csdn.net/Javadino/article/details/2891385

要解决的问题:

Futex按英文翻译过来就是快速用户空间互斥体。其设计思想其实不难理解，在传统的Unix系统中，System V IPC(inter process communication)，如 semaphores, msgqueues, sockets还有文件锁机制(flock())等进程间同步机制都是对一个内核对象操作来完成的，这个内核对象对要同步的进程都是可见的，其提供了共享的状态信息和原子操作。当进程间要同步的时候必须要通过系统调用(如semop())在内核中完成。

可是经研究发现，很多同步是无竞争的，[popexizhi:这种研究如何做呢？比较感兴趣，这个是推动改进的真正动力，也是看设计的效果真正有效反馈]  即某个进程进入互斥区，到再从某个互斥区出来这段时间，常常是没有进程也要进这个互斥区或者请求同一同步变量的。但是在这种情况下，这个进程也要陷入内核去看看有没有人和它竞争，退出的时侯还要陷入内核去看看有没有进程等待在同一同步变量上。

这些不必要的系统调用(或者说内核陷入)造成了大量的性能开销。

为了解决这个问题，Futex就应运而生，Futex是一种用户态和内核态混合的同步机制。

首先，同步的进程间通过mmap共享一段内存，futex变量就位于这段共享的内存中且操作是原子的，当进程尝试进入互斥区或者退出互斥区的时候，先去查看共享内存中的futex变量，如果没有竞争发生，则只修改futex,而不用再执行系统调用了。当通过访问futex变量告诉进程有竞争发生，则还是得执行系统调用去完成相应的处理(wait 或者 wake up)。

简单的说，futex就是通过在用户态的检查，如果了解到没有竞争就不用陷入内核了，大大提高了low-contention时候的效率。Linux从2.5.7开始支持Futex。[popexizhi: 自己想的类别，把查询是否有同步竞争的查询，从内核态拿到了用户态，可以直接查看了，这样就把”多数无同步竞争“的实验事实使用上了。]

2. Futex系统调用
Futex是一种用户态和内核态混合机制，所以需要两个部分合作完成，linux上提供了sys_futex系统调用，对进程竞争情况下的同步处理提供支持。

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参考:https://blog.csdn.net/fpcc/article/details/84483954

3、futex的特点

基于上面的种种不便，“物不平则鸣”，牛人们（Hubertus Franke, Matthew Kirkwood, Ingo Molnar and Rusty Russell，无一不是大神啊）创建了futex。这玩意是贯通内核空间和用户空间的一把利器。看看它的中文意义“快速用户空间互斥体”。意味着，快。 
Futex是怎么突出这个快的呢？在同步的线程间，开辟一段共享内存（mmap）, futex的变量保存在这段共享内存中，当线程进入（退出）同步区域时，先查询共享内存的中futex变量，如果竞争没有出现，就只修改futex状态，不再进入内核空间调用。反之，还得进入内核控制wait(wake).这样，通过一小段共享内存在用户空间的检查，就极大的避免了不应该进入内核的陷阱。自然，在低频率竞争锁时，效率被大大提高了。 

要解决的问题:

在早期的Linux系统中，多线程的同步分为两种机制，即内核空间机制和用户空间机制。在用户空间进行同步，首先需要使用原子指令将代码锁住，如果利用atomic的原子机制编写过代码，可能这些就很好理解了。 
这里举一个比喻，就好像一个高速的循环，不断的去查询一个标志（可以理解成一个整数：0表示没被锁上，1表示被锁住），所以这个又被形象的称为自旋锁。这时候，CPU是被独占的，如果长时间的CPU被独占，可想而知结果会是如何。所以使用这种机制是有一些限定要求的： 
临界区代码尽量控制在100行以内。 
不要调用系统函数（read等），调用其它函数也应尽量短小。 
不要有大循环，不要有类似sleep动作。 
大的内存复制时，memcpy等函数不建议使用。 
而在内核空间中，实现同步机制和用户空间中没有本质的区别，同样也是类似的使用原子指令操作，正是基于此，内核实现进程的等待和睡眠等功能。