v80.02 鸿蒙内核源码分析(快锁实现篇)| 内核态下的快锁Futex(下) 原创精华

鸿蒙内核源码分析

发布于 2022-2-18 14:22

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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 指快锁节点进程归属，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，如有看到的请告知。
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，并按快锁背后的任务优先级排好序。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;

结构体很简单，没什么可说的，一把互斥锁确保一个链表的操作。
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

v80.02 鸿蒙内核源码分析(快锁实现篇)| 内核态下的快锁Futex(下)-鸿蒙开发者社区

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;
}

针对本篇开始的问题二，等锁新任务来临后由任务优先级决定在queueList中的位置,OsFutexInsertTasktoPendList

///< 将快锁挂到任务的阻塞链表上
STATIC INT32 OsFutexInsertTasktoPendList(FutexNode **firstNode, FutexNode *node, const LosTaskCB *run)
{
    LosTaskCB *taskHead = OS_TCB_FROM_PENDLIST(LOS_DL_LIST_FIRST(&((*firstNode)->pendList)));//获取阻塞链表首个任务
    LOS_DL_LIST *queueList = &((*firstNode)->queueList);
    FutexNode *tailNode = NULL;
    LosTaskCB *taskTail = NULL;

    if (run->priority < taskHead->priority) {//任务的优先级比较
        /* The one with the highest priority is inserted at the top of the queue */
        LOS_ListTailInsert(queueList, &(node->queueList));//查到queueList的尾部
        OsFutexReplaceQueueListHeadNode(*firstNode, node);//同时交换futexList链表上的位置
        *firstNode = node;
        return LOS_OK;
    }
    //如果等锁链表上没有任务或者当前任务大于链表首个任务
    if (LOS_ListEmpty(queueList) && (run->priority >= taskHead->priority)) {
        /* Insert the next position in the queue with equal priority */
        LOS_ListHeadInsert(queueList, &(node->queueList));//从头部插入当前任务,当前任务是要被挂起的
        return LOS_OK;
    }
    
    tailNode = OS_FUTEX_FROM_QUEUELIST(LOS_DL_LIST_LAST(queueList));//获取尾部节点
    taskTail = OS_TCB_FROM_PENDLIST(LOS_DL_LIST_FIRST(&(tailNode->pendList)));//获取阻塞任务的最后一个
    if ((run->priority >= taskTail->priority) ||//当前任务优先级比最后一个更高,或者 ... 没看懂, 为啥要这样 ? @notethinking
        ((run->priority - taskHead->priority) > (taskTail->priority - run->priority))) {//跟最后一个比较优先级
        return OsFutexInsertFindFormBackToFront(queueList, run, node);//从后往前插入
    }

    return OsFutexInsertFindFromFrontToBack(queueList, run, node);//否则从前往后插入
}

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。
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