FUTEX(7) Manuel du programmeur Linux FUTEX(7)

futex – Verrouillage rapide en mode utilisateur

#include <linux/futex.h>

Le noyau Linux fournit des futex (« Fast user-space mutexes ») en tant que brique permettant un verrouillage rapide et des sémaphores en espace utilisateur. Les futex sont très basiques et se prêtent facilement à la construction d'abstractions de verrouillage de plus haut niveau telles que les mutex, les conditions variables, les blocages en écriture/lecture, les barrières et les sémaphores.

En fait, la plupart des programmeurs n’ont pas à utiliser les futex directement ; ils s'appuient plutôt sur les bibliothèques construites à partir d’eux, telle que NPTL (Native POSIX Thread Library) (consultez pthreads(7)).

Un futex est identifié par une zone mémoire qui peut être partagée entre plusieurs processus ou plusieurs fils d’exécution. Dans ces différents processus, il n'a pas forcément la même adresse. Dans sa forme la plus simple, un futex a la sémantique d'un sémaphore ; il s'agit d'un compteur qui peut être incrémenté et décrémenté de façon atomique. Les processus peuvent attendre que cette valeur devienne positive.

Une opération sur un futex est faite entièrement en espace utilisateur dans le cas où il n'y a pas de sous-capacité. Le noyau n'est impliqué que pour arbitrer en cas de sous-capacité. Comme toute conception saine évite cela, les futex sont aussi optimaux pour cette situation.

Dans sa forme basique, un futex est un entier aligné qui n'est modifié que par des instructions atomiques d’assembleur. Cet entier se compose de quatre octets sur toutes les plateformes. Des processus peuvent partager cet entier en utilisant mmap(2), à l’aide de segments de mémoire partagés, ou parce qu'ils partagent leur espace mémoire, auquel cas l'application est dite multithreadée.

Toute opération futex démarre en espace utilisateur, mais il peut être nécessaire de communiquer avec le noyau en utilisant l'appel système futex(2).

Pour incrémenter un futex, exécuter les instructions assembleur qui causent l'incrémentation de manière atomique de l'entier par le processeur hôte. Ensuite, vérifier si sa valeur a changé de 0 à 1, auquel cas il n'y avait pas de processus en attente et l'opération est réalisée. Il s'agit du cas sans sous-capacité, qui est rapide et devrait être fréquent.

En cas de sous-capacité, l'incrémentation atomique a modifié la valeur -1 (ou une autre valeur négative) du compteur. Si cette situation est détectée, il y a des processus en attente. L'espace utilisateur doit alors définir le compteur à 1 et demander au noyau de réveiller les processus en attente avec l'opération FUTEX_WAKE.

Attendre sur un futex, pour décrémenter le compteur, est l'opération inverse. Décrémenter le compteur de façon atomique et vérifier si sa nouvelle valeur est 0, auquel cas l'opération est réalisée et le futex n’était pas dans un cas de sous-capacité. Dans tous les autres cas, le processus doit régler le compteur à -1 et demander à ce que le noyau attende qu'un autre processus incrémente le futex. Pour cela, utiliser l'opération FUTEX_WAIT.

Un délai peut éventuellement être passé en argument à l'appel système futex(2), qui indique combien de temps le noyau doit attendre que le futex soit incrémenté. Dans ce cas, la sémantique est plus complexe et le programmeur devrait lire futex(2) pour plus de détails. La même remarque est valable pour l'attente asynchrone sur un futex.

La gestion des futex a été intégrée à Linux 2.5.7, mais avec une sémantique différente de celle décrite ci-dessus. La sémantique actuelle est disponible depuis Linux 2.5.40.

Pour rappel, les futex de base ne sont pas conçus comme une abstraction facile à employer pour les utilisateurs finaux. Les personnes les mettant en pratique doivent maîtriser l'assembleur et avoir lu les sources de la bibliothèque futex en espace utilisateur décrite ci-dessous.

Cette page de manuel illustre l'utilisation la plus courante des primitives futex(2). Il ne s'agit absolument pas de la seule.

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), bibliothèque d'exemple de futex, futex-*.tar.bz2 ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/people/rusty/.

Cette page fait partie de la publication 5.13 du projet man-pages Linux. Une description du projet et des instructions pour signaler des anomalies et la dernière version de cette page peuvent être trouvées à l'adresse https://www.kernel.org/doc/man-pages/.

La traduction française de cette page de manuel a été créée par Christophe Blaess https://www.blaess.fr/christophe/, Stéphan Rafin <stephan.rafin@laposte.net>, Thierry Vignaud <tvignaud@mandriva.com>, François Micaux, Alain Portal <aportal@univ-montp2.fr>, Jean-Philippe Guérard <fevrier@tigreraye.org>, Jean-Luc Coulon (f5ibh) <jean-luc.coulon@wanadoo.fr>, Julien Cristau <jcristau@debian.org>, Thomas Huriaux <thomas.huriaux@gmail.com>, Nicolas François <nicolas.francois@centraliens.net>, Florentin Duneau <fduneau@gmail.com>, Simon Paillard <simon.paillard@resel.enst-bretagne.fr>, Denis Barbier <barbier@debian.org>, David Prévot <david@tilapin.org> et Jean-Paul Guillonneau <guillonneau.jeanpaul@free.fr>

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15 septembre 2017 Linux