Для того щоб можна було використовувати у застосуваннях різні примітиви синхронізації (м'ютекси, семафори, умовні змінні), на рівні ОС необхідно розробити деяку структуру даних для сигналізації (наприклад, яка відображає лічильник монітора) і забезпечити її спільне використання кількома потоками. Також треба забезпечити можливість переведення потоків у стан очікування, і поновлення одного або одночасно кількох потоків (негайно або через деякий проміжок часу). Були запропоновані різні способи розв'язання цієї проблеми.
Підтримка спеціальних засобів синхронізації - семафорів System V, які спочатку розробляли для систем із реалізацією моделі процесів. Уся робота з ними заснована на спеціальних структурах даних ядра. Доступ до них здійснюють за допомогою системних викликів. Такий підхід є неефективним, оскільки кожний системний виклик спричиняє виконання кількох сотень машинних інструкцій і перемикань між режимами процесора.
Використання для операції очікування аналогів системного виклику sleep() і реалізація операції поновлення потоків на основі сигналів. Цей підхід було прийнято у бібліотеці LinuxThreads. Застосування сигналів знову передбачало використання системних викликів, а виконання sleep() призводило до втрат часу на перемикання контексту.
На практиці найкращим є вирішення, яке використовує системні виклики тільки в разі гострої необхідності й обходиться без перемикання контексту. Вирішення, що відповідає цим вимогам, реалізує швидке блокування режиму користувача (fast user-level locking).
Розглянемо реалізацію такого блокування для двох випадків.
Потік успішно займає вільне блокування. За звичайного навантаження така ситуація трапляється найчастіше, тому саме для цього випадку потрібно домагатися максимальної ефективності, прагнучи до того, щоб обійтися без системних викликів.
Є потік, що вже зайняв це блокування. У цьому разі можна виконати системний виклик, щоб призупинити поточний потік. Така ситуація виникає рідше, і втрати продуктивності будуть менші.
Щоб потоки не зверталися до ядра в разі успішного зайняття блокування, вони мають спільно використовувати дані в пам'яті, доступній у режимі користувача. Для потоків одного процесу забезпечити спільне використання нескладно, оскільки в них загальний адресний простір. Для потоків різних процесів потрібно організовувати розподілювану або відображувану пам'ять, докладніше про це буде сказано в розділі 6. Ці спільно використовувані дані називають блокуванням користувача (user lock). Вони визначають, закрите чи відкрите блокування і чи є потоки, що очікують на ньому. Потоки атомарно змінюють ці дані у разі спроби заблокування, якщо при цьому виникає необхідність заблокувати або поновити потік, виконують системний виклик, коли такої необхідності немає — потік продовжує виконання в режимі користувача.
Реалізація такого блокування була інтегрована у ядро Linux версії 2.6. Вона дістала назву ф'ютекс (futex, від fast user-level mutex — швидкий м'ютекс користувача).
Ф'ютекс — цілочисловий лічильник, що перебуває у спільній пам'яті, яку використовують потоки або процеси. Роботу з цим лічильником ведуть аналогічно до роботи із семафором. Для його збільшення або зменшення потоки мають виконувати атомарні інструкції процесора.
Зазначимо, що лічильник ф'ютекса може розміщатися у спільній пам'яті де завгодно. Потоки можуть перетворити будь-яке місце пам'яті у ф'ютекс без попередньої підготовки (поки не виникне суперництво за ф'ютекс, потоки лише збільшують і зменшують цілочислове значення у спільній пам'яті). Ф'ютексів можна створювати безліч.
Розглянемо ситуації, коли використання ф'ютекса потребує виконання системного виклику.
У разі спроби заблокуватися на ф'ютексі (коли потрібно його зменшити, а він дорівнює нулю) виконують системний виклик для організації очікування відповідно до операції futex_wait (серед інших параметрів йому потрібно передати адресу пам'яті, де перебуває лічильник, і, в окремих випадках, максимальний час очікування). У коді цього виклику адресу пам'яті додають у ядрі до хеш-таблиці й створюють чергу очікування, куди поміщають відповідний керуючий блок потоку.Значення ф'ютекса покладають рівним -1.
Коли ми збільшуємо ф'ютекс, може з'ясуватися, що вихідним значенням буде -1. У цьому разі виконують системний виклик для поновлення потоків відповідно до операції futex_wake (серед параметрів йому, крім адреси пам'яті, треба передати кількість потоків, які потрібно поновити). У результаті потоки переводять із черги очікування в чергу готових процесів.
Легко побачити, що ф'ютекси автоматично роблять можливою синхронізацію потоків різних процесів через розподілювану пам'ять.
Інтерфейс ф'ютексів не призначений для безпосереднього використання у прикладних програмах. Замість цього на основі ф'ютексів бібліотеки підтримки потоків можуть бути реалізовані примітиви синхронізації більш високого рівня (саме це й зроблено у NPTL).
Використана література
1. Шеховцев В.А. Операційні системи. – К.:Видавнича група BHV, 2005.- 576с.: іл.
2. Таненбаум Э., Вудхалл А.. Операционные системы. Разработка и реализация. Класика CS. 3-е изд – СПб.: Питер 2007. – 704 с.: ил.
3. Інтернет ресурс - http://wiki.kspu.kr.ua
4. А.В. Гордеев "Системное програмное обеспечение" Питер 2003.
