Question

我使用futex实现了信号量。以下程序经常在sem_post（）中断言失败。虽然返回值应该是1，但它有时会返回0.这怎么可能发生？

当我使用POSIX信号量时，程序总是成功完成。

我使用Linux 2.6.32-642.6.1.el6.x86_64

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cassert>
#include <ctime>
#include <linux/futex.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

using namespace std;

#if 0
 #include <semaphore.h>
#else
typedef volatile int sem_t;

void sem_init(sem_t* sem, int shared, int value)
{
    *sem = value;
}

void sem_post(sem_t* sem)
{
    while (1)
    {
        int value = *sem;
        if (__sync_bool_compare_and_swap(sem, value, value >= 0 ? value+1 : 1))
        {
            if (value < 0)      // had contender
            {
                int r = syscall(SYS_futex, sem, FUTEX_WAKE, 1, NULL, 0, 0);
                if (r != 1)
                    fprintf(stderr, "post r=%d err=%d sem=%d %d\n", r,errno,value,*sem);
                assert(r == 1);
            }
            return;
        }
    }
}

int sem_wait(sem_t* sem)
{
    while (1)
    {
        int value = *sem;
        if (value > 0   // positive means no contender
            && __sync_bool_compare_and_swap(sem, value, value-1))
            return 0;
        if (value <= 0
            && __sync_bool_compare_and_swap(sem, value, -1))
        {
            int r= syscall(SYS_futex, sem, FUTEX_WAIT, -1, NULL, 0, 0);
            if (!r) {
                assert(__sync_fetch_and_sub(sem, 1) > 0);
                return 0;
            }
            printf("wait r=%d errno=%d sem=%d %d\n", r,errno, value,*sem);
        }
    }
}

void sem_getvalue(sem_t* sem, int* value)
{
    *value = *sem;
}

#endif

// return current time in ns
unsigned long GetTime()
{
    struct timespec ts;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
    return ts.tv_sec*1000000000ul + ts.tv_nsec;
}

void Send(sem_t* sem, unsigned count)
{
    while (count--)
        sem_post(sem);
}

void Receive(sem_t* sem, unsigned count)
{
    while (count--)
        sem_wait(sem);
}


int main()
{
    sem_t* sem = reinterpret_cast<sem_t*>(mmap(NULL, sizeof(sem_t), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED, -1, 0));
    assert(sem != MAP_FAILED);
    sem_init(sem, 1, 0);
    unsigned count = 10485760;

    int pid = fork();
    assert(pid != -1);
    if (!pid)   // child
    {
        Send(sem, count);
        _exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    else    // parent
    {
        unsigned long t0 = GetTime();
        Receive(sem, count);
        printf("t=%g ms\n", (GetTime()-t0)*1e-6);
        wait(NULL);
        int v;
        sem_getvalue(sem, &v);
        assert(v == 0);
    }
}

Answer 1

__sync_bool_compare_and_swap(sem, value, -1)和__sync_fetch_and_sub(sem, 1)似乎有问题。我们需要记住，sem_wait可以由多个线程同时调用（尽管在您的测试用例中只有一个线程调用它）。

如果我们能够承担繁忙轮询的开销，我们可以删除futex并生成以下代码。它也比futex版本快（t = 347毫秒，而futex版本是t = 914毫秒）。

void sem_post(sem_t* sem)
{
    int value = __sync_fetch_and_add(sem, 1);
}

int sem_wait(sem_t* sem)
{
    while (1)
    {
        int value = *sem;
        if (value > 0) // positive means no contention
        {
            if (__sync_bool_compare_and_swap(sem, value, value-1)) {
                return 0; // success
            }
        }
        // yield the processor to avoid deadlock
        sched_yield();
    }
}

代码的工作方式如下：共享变量*sem始终为非负数。当一个线程将信号量从0发送到1时，等待信号量的所有线程都可以尝试，但在compare_and_swap中只有一个线程会成功。

Answer 2

syscall(SYS_futex, sem, FUTEX_WAKE, 1, NULL, 0, 0)上没有线程等待时，对sem的调用将返回0。在您的代码中，这是可能的，因为当sem_post为负时，您在*sem中调用了futex行，这可能是在没有任何线程实际处于休眠状态的情况下：

如果在调用*sem时sem_wait为零，则您将继续执行__sync_bool_compare_and_swap(sem, value, -1)并将*sem设置为-1。此时，该线程尚未休眠。因此，当另一个线程在此时调用sem_post时（正在调用sem_wait的线程进入futex系统调用之前），您的断言失败将会发生。

怎么可能futex_wake返回0

2 个答案: