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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、 POSIX mutex のような高度なロック機構の概念を構築するのに役立ってい
る。
このページはすべての設計決定を記述するようにはなっておらず、 アプリケーションやライブラリ
の開発に関係することがらに限っている。 実際にはプログラマの多くは直接は futex を扱わない
が、その代わり futex に基づいて構築されたシステムライブラリ (例えば NPTL スレッド) に 依存
することになるだろう。
futex は異なるプロセス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
セスでは、同じアドレスが付与されている必要はない。 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 int 型
の変数である。 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
futex(2)
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 3.79 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 http://www.kernel.org/doc/man-pages/ に書かれている。