Rust系统编程利器linux-futex的使用：Linux快速用户空间互斥锁的高效实现

linux-futex是一个提供Linux快速用户空间互斥锁(Futex)易用包装的Rust crate，它封装了不太容易使用的SYS_futex Linux系统调用。

主要特性

该crate提供了两个主要类型：

• Futex: 基本futex操作
• PiFutex: 优先级继承futex操作

这两个类型都是包含AtomicU32的简单包装器，暴露了Linux可以应用的所有futex操作。

现有的AtomicU32可以通过AsFutex trait作为futex使用，而无需改变其类型。

安装

在Cargo.toml中添加：

linux-futex = "1.0.0"

或者运行：

cargo add linux-futex

示例代码

下面是一个使用linux-futex实现简单互斥锁的完整示例：

use linux_futex::Futex;
use std::sync::atomic::{AtomicU32, Ordering};
use std::thread;

// 使用Futex实现一个简单的互斥锁
struct Mutex {
    futex: AtomicU32,
}

impl Mutex {
    const UNLOCKED: u32 = 0;
    const LOCKED: u32 = 1;
    const CONTENDED: u32 = 2;

    fn new() -> Self {
        Mutex {
            futex: AtomicU32::new(Self::UNLOCKED),
        }
    }

    fn lock(&self) {
        // 尝试原子性地将状态从UNLOCKED改为LOCKED
        if self.futex.compare_exchange(
            Self::UNLOCKED,
            Self::LOCKED,
            Ordering::Acquire,
            Ordering::Relaxed,
        ).is_err() {
            // 如果失败，说明锁已被持有，进入等待状态
            self.lock_contended();
        }
    }

    fn lock_contended(&self) {
        // 循环尝试获取锁
        loop {
            // 设置状态为CONTENDED表示有等待者
            let state = self.futex.swap(Self::CONTENDED, Ordering::Acquire);
            
            if state == Self::UNLOCKED {
                // 成功获取锁
                return;
            }
            
            // 等待直到状态改变
            Futex::wait(&self.futex, Self::CONTENDED, None);
        }
    }

    fn unlock(&self) {
        // 释放锁并唤醒一个等待者
        if self.futex.swap(Self::UNLOCKED, Ordering::Release) == Self::CONTENDED {
            Futex::wake(&self.futex, 1); // 唤醒一个等待线程
        }
    }
}

fn main() {
    let mutex = Mutex::new();
    let mutex_ref = &mutex;
    
    thread::scope(|s| {
        for i in 0..4 {
            s.spawn(move || {
                mutex_ref.lock();
                println!("Thread {} got the lock", i);
                thread::sleep(std::time::Duration::from_millis(100));
                mutex_ref.unlock();
            });
        }
    });
}

工作原理

这个示例展示了如何使用linux-futex实现一个简单的互斥锁：

1. UNLOCKED状态表示锁可用
2. LOCKED状态表示锁被占用但没有等待者
3. CONTENDED状态表示锁被占用且有等待者

通过Futex::wait和Futex::wake系统调用，避免了忙等待(busy waiting)，提高了效率。

完整示例代码

以下是一个更完整的示例，展示了如何使用linux-futex实现一个线程安全的计数器：

use linux_futex::Futex;
use std::sync::atomic::{AtomicU32, Ordering};
use std::thread;
use std::time::Duration;

// 线程安全的计数器，使用Futex实现同步
struct ThreadSafeCounter {
    value: AtomicU32,
    lock: AtomicU32,  // 使用AtomicU32作为futex
}

impl ThreadSafeCounter {
    const UNLOCKED: u32 = 0;
    const LOCKED: u32 = 1;
    const CONTENDED: u32 = 2;

    fn new(initial_value: u32) -> Self {
        ThreadSafeCounter {
            value: AtomicU32::new(initial_value),
            lock: AtomicU32::new(Self::UNLOCKED),
        }
    }

    // 获取锁
    fn lock(&self) {
        if self.lock.compare_exchange(
            Self::UNLOCKED,
            Self::LOCKED,
            Ordering::Acquire,
            Ordering::Relaxed,
        ).is_err() {
            self.lock_contended();
        }
    }

    // 竞争锁时的处理
    fn lock_contended(&self) {
        loop {
            let state = self.lock.swap(Self::CONTENDED, Ordering::Acquire);
            if state == Self::UNLOCKED {
                return;
            }
            Futex::wait(&self.lock, Self::CONTENDED, None);
        }
    }

    // 释放锁
    fn unlock(&self) {
        if self.lock.swap(Self::UNLOCKED, Ordering::Release) == Self::CONTENDED {
            Futex::wake(&self.lock, 1);
        }
    }

    // 线程安全地增加计数器
    fn increment(&self) -> u32 {
        self.lock();
        let val = self.value.fetch_add(1, Ordering::Relaxed) + 1;
        self.unlock();
        val
    }

    // 线程安全地获取计数器值
    fn get(&self) -> u32 {
        self.lock();
        let val = self.value.load(Ordering::Relaxed);
        self.unlock();
        val
    }
}

fn main() {
    let counter = ThreadSafeCounter::new(0);
    let counter_ref = &counter;

    thread::scope(|s| {
        // 创建10个线程并发增加计数器
        for i in 0..10 {
            s.spawn(move || {
                for _ in 0..100 {
                    let new_val = counter_ref.increment();
                    if i == 0 && new_val % 50 == 0 {
                        println!("Counter reached: {}", new_val);
                    }
                    thread::sleep(Duration::from_micros(100));
                }
            });
        }
    });

    println!("Final counter value: {}", counter.get());
}

工作原理说明

这个完整示例展示了linux-futex的更多实际用法：

1. 实现了一个线程安全的计数器
2. 使用Futex同步机制保护共享数据
3. 展示了更复杂的锁获取和释放逻辑
4. 演示了多线程环境下的数据竞争保护

通过Futex::wait和Futex::wake系统调用，线程在无法获取锁时会进入睡眠状态，而不是忙等待，从而减少了CPU资源的浪费。

许可证

BSD-2-Clause许可证