v80.01 鸿蒙内核源码分析(内核态锁篇) | 如何实现快锁Futex(下) | 百篇博客分析OpenHarmony源码

小蚂蚁

百篇博客分析｜本篇为：(内核态锁篇) | 如何实现快锁Futex(下)
进程通讯相关篇为:

  

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• v78.01 鸿蒙内核源码分析(消息映射) | 剖析LiteIpc(下)进程通讯机制  
  
• v79.01 鸿蒙内核源码分析(用户态锁) | 如何使用快锁Futex(上)  
  
• v80.01 鸿蒙内核源码分析(内核态锁) | 如何实现快锁Futex(下)
  

本篇说清楚快锁在内核态的实现，解答以下问题，它们在上篇的末尾被提出来。

  

• 鸿蒙内核进程池默认上限是64个，除去两个内核进程外，剩下的都归属用户进程，理论上用户进程可以创建很多快锁，这些快锁可以用于进程间(共享快锁)也可以用于线程间(私有快锁)，在快锁的生命周期中该如何保存 ?  
  
• 无锁时，前面已经有进程在申请锁时，如何处理好新等锁进程和旧等锁进程的关系 ?  
  
• 释放锁时，需要唤醒已经在等锁的进程，唤醒的顺序由什么条件决定 ?
  

系列篇多次提过，线程在内核层面叫任务，在内核任务比进程重要得多，调度也好，竞争也罢，都是围绕任务展开的。竞争快锁是任务间的竞争，自然会和任务(task)有紧密的联系，其在内核的表达也出现在了任务表达之中。

typedef struct { // 任务控制块
  ...
  LOS_DL_LIST   pendList;       /**< Task pend node | 如果任务阻塞时就通过它挂到各种阻塞情况的链表上,比如OsTaskWait时 */
  ...
  FutexNode     futex;///< 指明任务在等待哪把快锁，一次只等一锁，锁和任务的关系是(1:N)关系
} LosTaskCB;

对 任务 不清楚的请翻看系列相关篇，一定要搞懂，它是内核最重要的概念，甚至没有之一，搞不懂任务就一定搞不懂内核整体的运行机制。
快锁节点 | 内核表达
FutexNode(快锁节点) 是快锁模块核心结构体，熟悉这块源码的钥匙。

typedef struct {
  UINTPTR    key;       /* private:uvaddr | 私有锁，用虚拟地址     shared:paddr | 共享锁，用物理地址 */
  UINT32     index;     /* hash bucket index | 哈希桶索引 OsFutexKeyToIndex */
  UINT32     pid;       /* private:process id   shared:OS_INVALID(-1) | 私有锁:进程ID   ， 共享锁为 -1 */
  LOS_DL_LIST  pendList;    /* point to pendList in TCB struct | 指向 TCB 结构中的 pendList, 通过它找到任务*/
  LOS_DL_LIST  queueList;   /* thread list blocked by this lock | 挂等待这把锁的任务，其实这里挂到是FutexNode.queueList , 通过 queueList 可以找到 pendList ,通过 pendList又可以找到真正的任务*/
  LOS_DL_LIST  futexList;   /* point to the next FutexNode | 下一把快锁节点*/
} FutexNode;

解读

  

• 首先要明白 快锁 和 快锁节点 的区别，否则看内核代码一定会懵圈，内核并没有快锁这个结构体，key就是快锁，它们的关系是 1:N 的关系 ，快锁分成了 私有锁 和 共享锁 两种类型。用key表示唯一性。共享锁用物理地址 , 私有锁用虚拟地址。为什么要这么做呢 ?
  
     
  
  • 私有锁的意思是进程私有，作用于同一个进程的不同任务间， 因为任务是共享进程空间的， 所以可以用虚拟地址来表示进程内的唯一性 。 但两个不同的进程会出现两个虚拟地址一样的快锁。   
    
  • 共享锁的意思是进程共享，作用于不同进程的不同任务间，因为不同的进程都会有相同的虚拟地址范围， 所以不能用虚拟地址来表示唯一性 ，只能用物理地址。虚拟地址 : 物理地址 = N: 1，不清楚的请查看系列篇之内存映射相关篇。   
    
     
  
• index 内核使用哈希桶来检索快锁 ， index 和 key的关系通过哈希算法(FNV-1a)来映射。注意会有同一个哈希桶中两个key一样的锁，虽然它会以极低概率出现。快锁的内核实现代码部分，个人觉得可以优化的空间很大，应好好测试下这块 ，说不定会有意想不到的 bug : ) 。  
  
• pid 指快锁的进程归属，作用于私有锁。  
  
• pendList 指向 LosTaskCB.pendList， 通过它去唤醒和挂起任务，但并没有在源码中看到指向动作，如有看到的请告诉站长(wx: rekaily)。  
  
• queueList 具有相同key值的节点被queue_list串联起来表示被同一把锁阻塞的任务队列，意思就是queueList上面挂的都是等值为相同key的快锁，并按任务的优先级排好序。任务优先级高的可以先获取快锁使用权。  
  
• futexList 指向下一把快锁, 虽然挂的也是 FutexNode ，但是意义不一样 ! 是指queueList链表上的首个快锁节点，即不同key的快锁。能理解吗 ? 好吧 ，我承认这里面有点绕 。
  

哈希桶 | 管理快锁
当用户态产生锁的竞争或释放需要进行相关线程的调度操作时，会触发Futex系统调用进入内核，此时会将用户态锁的地址传入内核，并在内核的Futex中以锁地址来区分用户态的每一把锁，因为用户态可用虚拟地址空间为1GiB，为了便于查找、管理，内核Futex采用哈希桶来存放用户态传入的锁。
哈希桶共有80个，0~63 号桶用于存放私有锁（以虚拟地址进行哈希），64~79号桶用于存放共享锁（以物理地址进行哈希），所有相同的 key都掉进了同一个桶里。私有/共享属性通过用户态锁的初始化以及Futex系统调用入参确定。

#define FUTEX_INDEX_PRIVATE_MAX   64///< 0~63号桶用于存放私有锁（以虚拟地址进行哈希）,同一进程不同线程共享futex变量，表明变量在进程地址空间中的位置
///< 它告诉内核，这个futex是进程专有的，不可以与其他进程共享。它仅仅用作同一进程的线程间同步。
#define FUTEX_INDEX_SHARED_MAX    16///< 64~79号桶用于存放共享锁（以物理地址进行哈希）,不同进程间通过文件共享futex变量，表明该变量在文件中的位置
#define FUTEX_INDEX_MAX       (FUTEX_INDEX_PRIVATE_MAX + FUTEX_INDEX_SHARED_MAX) ///< 80个哈希桶
#define FUTEX_INDEX_SHARED_POS    FUTEX_INDEX_PRIVATE_MAX ///< 共享锁开始位置
FutexHash g_futexHash[FUTEX_INDEX_MAX];///< 默认80个哈希桶
typedef struct {
  LosMux    listLock;///< 内核操作lockList的互斥锁
  LOS_DL_LIST lockList;///< 用于挂载 FutexNode (Fast userspace mutex，用户态快速互斥锁)
} FutexHash;

下图来源于官方文档，基本能准确的描述管理方式，暂且使用此图(后续可能重画) , 有了这张图理解上面FutexNode会更轻松

任务调度

  

• 无锁时就需要将当前任务挂起，可详细跟踪函数OsFutexWaitTask，无非就是根据任务的优先级调整queueList futexList queueList 这些链表上的位置

  /// 将当前任务挂入等待链表中
  STATIC INT32 OsFutexWaitTask(const UINT32 *userVaddr, const UINT32 flags, const UINT32 val, const UINT32 timeOut)
  {
    INT32 futexRet;
    UINT32 intSave, lockVal;
    LosTaskCB *taskCB = NULL;
    FutexNode *node = NULL;
    UINTPTR futexKey = OsFutexFlagsToKey(userVaddr, flags);//通过地址和flags 找到 key
    UINT32 index = OsFutexKeyToIndex(futexKey, flags);//通过key找到哈希桶
    FutexHash *hashNode = &g_futexHash[index];
    if (OsFutexLock(&hashNode->listLock)) {//操作快锁节点链表前先上互斥锁
      return LOS_EINVAL;
    }
    //userVaddr必须是用户空间虚拟地址
    if (LOS_ArchCopyFromUser(&lockVal, userVaddr, sizeof(UINT32))) {//将值拷贝到内核空间
      PRINT_ERR("Futex wait param check failed! copy from user failed!\n");
      futexRet = LOS_EINVAL;
      goto EXIT_ERR;
    }
    if (lockVal != val) {//对参数内部逻辑检查
      futexRet = LOS_EBADF;
      goto EXIT_ERR;
    }
    //注意第二个参数 FutexNode *node = NULL 
    if (OsFutexInsertTaskToHash(&taskCB, &node, futexKey, flags)) {// node = taskCB->futex
      futexRet = LOS_NOK;
      goto EXIT_ERR;
    }
    SCHEDULER_LOCK(intSave);
    OsTaskWaitSetPendMask(OS_TASK_WAIT_FUTEX, futexKey, timeOut);
    OsSchedTaskWait(&(node->pendList), timeOut, FALSE);
    OsSchedLock();
    LOS_SpinUnlock(&g_taskSpin);
    futexRet = OsFutexUnlock(&hashNode->listLock);//
    if (futexRet) {
      OsSchedUnlock();
      LOS_IntRestore(intSave);
      goto EXIT_UNLOCK_ERR;
    }
    LOS_SpinLock(&g_taskSpin);
    OsSchedUnlock();
    /*
    * it will immediately do the scheduling, so there's no need to release the
    * task spinlock. when this task's been rescheduled, it will be holding the spinlock.
    */
    OsSchedResched();
    if (taskCB->taskStatus & OS_TASK_STATUS_TIMEOUT) {
      taskCB->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_TIMEOUT;
      SCHEDULER_UNLOCK(intSave);
      return OsFutexDeleteTimeoutTaskNode(hashNode, node);
    }
    SCHEDULER_UNLOCK(intSave);
    return LOS_OK;
  EXIT_ERR:
    (VOID)OsFutexUnlock(&hashNode->listLock);
  EXIT_UNLOCK_ERR:
    return futexRet;
  }

  
  
• 释放锁时就需要将queueList上挂起任务唤醒，可详细跟踪函数OsFutexWaitTask，如果没有任务再等锁了就DeleteKey

  STATIC INT32 OsFutexWakeTask(UINTPTR futexKey, UINT32 flags, INT32 wakeNumber, FutexNode **newHeadNode, BOOL *wakeAny)
   {
     UINT32 intSave;
     FutexNode *node = NULL;
     FutexNode *headNode = NULL;
     UINT32 index = OsFutexKeyToIndex(futexKey, flags);
     FutexHash *hashNode = &g_futexHash[index];
     FutexNode tempNode = { //先组成一个临时快锁节点,目的是为了找到哈希桶中是否有这个节点
       .key = futexKey,
       .index = index,
       .pid = (flags & FUTEX_PRIVATE) ? LOS_GetCurrProcessID() : OS_INVALID,
     };
     node = OsFindFutexNode(&tempNode);//找快锁节点
     if (node == NULL) {
       return LOS_EBADF;
     }
     headNode = node;
     SCHEDULER_LOCK(intSave);
     OsFutexCheckAndWakePendTask(headNode, wakeNumber, hashNode, newHeadNode, wakeAny);//再找到等这把锁的唤醒指向数量的任务
     if ((*newHeadNode) != NULL) {
       OsFutexReplaceQueueListHeadNode(headNode, *newHeadNode);
       OsFutexDeinitFutexNode(headNode);
     } else if (headNode->index < FUTEX_INDEX_MAX) {
       OsFutexDeleteKeyFromFutexList(headNode);
       OsFutexDeinitFutexNode(headNode);
     }
     SCHEDULER_UNLOCK(intSave);
     return LOS_OK;
   }

  
  

百文说内核 | 抓住主脉络

  

• 百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在加注释过程中，每每有心得处就整理,慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切。  
  
• 与代码需不断debug一样，文章内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。  
  
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• 百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。
    
  
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