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Linux 之mutex 源码分析
mutex相关的函数并不是linux kernel实现的，而是glibc实现的，源码位于nptl目录下。
首先说数据结构linux命令zgret：
typedef union
{
struct
{
int __lock;
unsigned int __count;
int __owner;
unsigned int __nusers;
/* KIND must stay at this position in the structure to maintain
binary compatibility. */
int __kind;
int __spins;
} __data;
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
long int __align;
} pthread_mutex_t;
int __lock; 资源竞争引用计数
int __kind; 锁类型，init 函数中mutexattr 参数传递，该参数可以为NULL，一般为 PTHREAD_MUTEX_NORMAL
结构体其他元素暂时不了解，以后更新。
/*nptl/pthread_mutex_init.c*/
int
__pthread_mutex_init (mutex, mutexattr)
pthread_mutex_t *mutex;
const pthread_mutexattr_t *mutexattr;
{
const struct pthread_mutexattr *imutexattr;
assert (sizeof (pthread_mutex_t) = __SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T);
imutexattr = (const struct pthread_mutexattr *) mutexattr ?: default_attr;
/* Clear the whole variable. */
memset (mutex, '\0', __SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T);
/* Copy the values from the attribute. */
mutex-__data.__kind = imutexattr-mutexkind ~0x80000000;
/* Default values: mutex not used yet. */
// mutex-__count = 0; already done by memset
// mutex-__owner = 0; already done by memset
// mutex-__nusers = 0; already done by memset
// mutex-__spins = 0; already done by memset
return 0;
}
init函数就比较简单了，将mutex结构体清零，设置结构体中__kind属性。
/*nptl/pthread_mutex_lock.c*/
int
__pthread_mutex_lock (mutex)
pthread_mutex_t *mutex;
{
assert (sizeof (mutex-__size) = sizeof (mutex-__data));
pid_t id = THREAD_GETMEM (THREAD_SELF, tid);
switch (__builtin_expect (mutex-__data.__kind, PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP))
{
…
default:
/* Correct code cannot set any other type. */
case PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:
simple:
/* Normal mutex. */
LLL_MUTEX_LOCK (mutex-__data.__lock);
break;
…
}
/* Record the ownership. */
assert (mutex-__data.__owner == 0);
mutex-__data.__owner = id;
#ifndef NO_INCR
++mutex-__data.__nusers;
#endif
return 0;
}
该函数主要是调用LLL_MUTEX_LOCK， 省略部分为根据mutex结构体__kind属性不同值做些处理。
宏定义函数LLL_MUTEX_LOCK最终调用，将结构体mutex的__lock属性作为参数传递进来
#define __lll_mutex_lock(futex) \
((void) ({ \
int *__futex = (futex); \
if (atomic_compare_and_exchange_bool_acq (__futex, 1, 0) != 0) \
__lll_lock_wait (__futex); \
}))
atomic_compare_and_exchange_bool_acq (__futex, 1, 0)宏定义为linux命令zgret：
#define atomic_compare_and_exchange_bool_acq(mem, newval, oldval) \
({ __typeof (mem) __gmemp = (mem); \
__typeof (*mem) __gnewval = (newval); \
\
*__gmemp == (oldval) ? (*__gmemp = __gnewval, 0) : 1; })
这个宏实现的功能是linux命令zgret：
如果mem的值等于oldval，则把newval赋值给mem，放回0，否则不做任何处理，返回1.
由此可以看出，当mutex锁限制的资源没有竞争时，__lock 属性被置为1，并返回0，不会调用__lll_lock_wait (__futex); 当存在竞争时，再次调用lock函数，该宏不做任何处理，返回1，调用__lll_lock_wait (__futex);
void
__lll_lock_wait (int *futex)
{
do
{
int oldval = atomic_compare_and_exchange_val_acq (futex, 2, 1);
if (oldval != 0)
lll_futex_wait (futex, 2);
}
while (atomic_compare_and_exchange_bool_acq (futex, 2, 0) != 0);
}
atomic_compare_and_exchange_val_acq (futex, 2, 1); 宏定义：
/* The only basic operation needed is compare and exchange. */
#define atomic_compare_and_exchange_val_acq(mem, newval, oldval) \
({ __typeof (mem) __gmemp = (mem); \
__typeof (*mem) __gret = *__gmemp; \
__typeof (*mem) __gnewval = (newval); \
\
if (__gret == (oldval)) \
*__gmemp = __gnewval; \
__gret; })
这个宏实现的功能是，当mem等于oldval时，将mem置为newval，始终返回mem原始值。
此时，futex等于1，futex将被置为2，并且返回1. 进而调用
lll_futex_wait (futex, 2);
#define lll_futex_timed_wait(ftx, val, timespec) \
({ \
DO_INLINE_SYSCALL(futex, 4, (long) (ftx), FUTEX_WAIT, (int) (val), \
(long) (timespec)); \
_r10 == -1 ? -_retval : _retval; \
})
该宏对于不同的平台架构会用不同的实现，采用汇编语言实现系统调用。不过确定的是调用了Linux kernel的futex系统调用。
futex在linux kernel的实现位于：kernel/futex.c
SYSCALL_DEFINE6(futex, u32 __user *, uaddr, int, op, u32, val,
struct timespec __user *, utime, u32 __user *, uaddr2,
u32, val3)
{
struct timespec ts;
ktime_t t, *tp = NULL;
u32 val2 = 0;
int cmd = op FUTEX_CMD_MASK;
if (utime (cmd == FUTEX_WAIT || cmd == FUTEX_LOCK_PI ||
cmd == FUTEX_WAIT_BITSET ||
cmd == FUTEX_WAIT_REQUEUE_PI)) {
if (copy_from_user(ts, utime, sizeof(ts)) != 0)
return -EFAULT;
if (!timespec_valid(ts))
return -EINVAL;
t = timespec_to_ktime(ts);
if (cmd == FUTEX_WAIT)
t = ktime_add_safe(ktime_get(), t);
tp = t;
}
/*
* requeue parameter in 'utime' if cmd == FUTEX_*_REQUEUE_*.
* number of waiters to wake in 'utime' if cmd == FUTEX_WAKE_OP.
*/
if (cmd == FUTEX_REQUEUE || cmd == FUTEX_CMP_REQUEUE ||
cmd == FUTEX_CMP_REQUEUE_PI || cmd == FUTEX_WAKE_OP)
val2 = (u32) (unsigned long) utime;
return do_futex(uaddr, op, val, tp, uaddr2, val2, val3);
}
futex具有六个形参，pthread_mutex_lock最终只关注了前四个。futex函数对参数进行判断和转化之后，直接调用do_futex。
long do_futex(u32 __user *uaddr, int op, u32 val, ktime_t *timeout,
u32 __user *uaddr2, u32 val2, u32 val3)
{
int clockrt, ret = -ENOSYS;
int cmd = op FUTEX_CMD_MASK;
int fshared = 0;
if (!(op FUTEX_PRIVATE_FLAG))
fshared = 1;
clockrt = op FUTEX_CLOCK_REALTIME;
if (clockrt cmd != FUTEX_WAIT_BITSET cmd != FUTEX_WAIT_REQUEUE_PI)
return -ENOSYS;
switch (cmd) {
case FUTEX_WAIT:
val3 = FUTEX_BITSET_MATCH_ANY;
case FUTEX_WAIT_BITSET:
ret = futex_wait(uaddr, fshared, val, timeout, val3, clockrt);
break;
…
default:
ret = -ENOSYS;
}
return ret;
}
省略部分为对其他cmd的处理，pthread_mutex_lock函数最终传入的cmd参数为FUTEX_WAIT，所以在此只关注此分之，分析futex_wait函数的实现。
static int futex_wait(u32 __user *uaddr, int fshared,
u32 val, ktime_t *abs_time, u32 bitset, int clockrt)
{
struct hrtimer_sleeper timeout, *to = NULL;
struct restart_block *restart;
struct futex_hash_bucket *hb;
struct futex_q q;
int ret;
… … //delete parameters check and convertion
retry:
/* Prepare to wait on uaddr. */
ret = futex_wait_setup(uaddr, val, fshared, q, hb);
if (ret)
goto out;
/* queue_me and wait for wakeup, timeout, or a signal. */
futex_wait_queue_me(hb, q, to);
… … //other handlers
return ret;
}
futex_wait_setup 将线程放进休眠队列中，
futex_wait_queue_me(hb, q, to);将本线程休眠，等待唤醒。
唤醒后，__lll_lock_wait函数中的while (atomic_compare_and_exchange_bool_acq (futex, 2, 0) != 0); 语句将被执行，由于此时futex在pthread_mutex_unlock中置为0，所以atomic_compare_and_exchange_bool_acq (futex, 2, 0)语句将futex置为2，返回0. 退出循环，访问用户控件的临界资源。
/*nptl/pthread_mutex_unlock.c*/
int
internal_function attribute_hidden
__pthread_mutex_unlock_usercnt (mutex, decr)
pthread_mutex_t *mutex;
int decr;
{
switch (__builtin_expect (mutex-__data.__kind, PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP))
{
… …
default:
/* Correct code cannot set any other type. */
case PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:
case PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:
/* Normal mutex. Nothing special to do. */
break;
}
/* Always reset the owner field. */
mutex-__data.__owner = 0;
if (decr)
/* One less user. */
--mutex-__data.__nusers;
/* Unlock. */
lll_mutex_unlock (mutex-__data.__lock);
return 0;
}
省略部分是针对不同的__kind属性值做的一些处理，最终调用 lll_mutex_unlock。
该宏函数最终的定义为：
#define __lll_mutex_unlock(futex) \
((void) ({ \
int *__futex = (futex); \
int __val = atomic_exchange_rel (__futex, 0); \
\
if (__builtin_expect (__val 1, 0)) \
lll_futex_wake (__futex, 1); \
}))
atomic_exchange_rel (__futex, 0);宏为：
#define atomic_exchange_rel(mem, value) \
(__sync_synchronize (), __sync_lock_test_and_set (mem, value))
实现功能为：将mem设置为value，返回原始mem值。
__builtin_expect (__val 1, 0) 是编译器优化语句，告诉编译器期望值，也就是大多数情况下__val 1 linux命令zgret？是0，其逻辑判断依然为if(__val 1)为真的话执行 lll_futex_wake。
现在分析，在资源没有被竞争的情况下，__futex 为1，那么返回值__val则为1，那么 lll_futex_wake (__futex, 1); 不会被执行，不产生系统调用。 当资源产生竞争的情况时，根据对pthread_mutex_lock 函数的分析，__futex为2， __val则为2，执行 lll_futex_wake (__futex, 1); 从而唤醒等在临界资源的线程。
lll_futex_wake (__futex, 1); 最终会调动同一个系统调用，即futex, 只是传递的cmd参数为FUTEX_WAKE。
在linux kernel的futex实现中，调用
static int futex_wake(u32 __user *uaddr, int fshared, int nr_wake, u32 bitset)
{
struct futex_hash_bucket *hb;
struct futex_q *this, *next;
struct plist_head *head;
union futex_key key = FUTEX_KEY_INIT;
int ret;
if (!bitset)
return -EINVAL;
ret = get_futex_key(uaddr, fshared, key);
if (unlikely(ret != 0))
goto out;
hb = hash_futex(key);
spin_lock(hb-lock);
head = hb-chain;
plist_for_each_entry_safe(this, next, head, list) {
if (match_futex (this-key, key)) {
if (this-pi_state || this-rt_waiter) {
ret = -EINVAL;
break;
}
/* Check if one of the bits is set in both bitsets */
if (!(this-bitset bitset))
continue;
wake_futex(this);
if (++ret = nr_wake)
break;
}
}
spin_unlock(hb-lock);
put_futex_key(fshared, key);
out:
return ret;
}
该函数遍历在该mutex上休眠的所有线程，调用wake_futex进行唤醒，
static void wake_futex(struct futex_q *q)
{
struct task_struct *p = q-task;
/*
* We set q-lock_ptr = NULL _before_ we wake up the task. If
* a non futex wake up happens on another CPU then the task
* might exit and p would dereference a non existing task
* struct. Prevent this by holding a reference on p across the
* wake up.
*/
get_task_struct(p);
plist_del(q-list, q-list.plist);
/*
* The waiting task can free the futex_q as soon as
* q-lock_ptr = NULL is written, without taking any locks. A
* memory barrier is required here to prevent the following
* store to lock_ptr from getting ahead of the plist_del.
*/
smp_wmb();
q-lock_ptr = NULL;
wake_up_state(p, TASK_NORMAL);
put_task_struct(p);
}
wake_up_state(p, TASK_NORMAL); 的实现位于kernel/sched.c中，属于linux进程调度的技术。
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在raid上装linux系统,使用LINUX 软件RAID，并且安装Ubuntu 9.10系统于其上。 转载
2021-05-16 05:23:57
weixin_39689700
码龄6年
关注
使用LINUX 软件RAID，并且安装Ubuntu 9.10系统于其上。
说明
作者： 俞磊
日期：2010年1月21日
使用LINUX 软件RAID，并且安装Ubuntu 9.10系统于其上。
有一台新机器，核心比较 多，是四核的，但是主频并不高，2.5Ghz。有两块大小不同的硬盘。想提高系统的速度，所以想把硬盘做成RAID的。但是，由于两块硬盘大小不同，听说 做RAID0硬盘的话，虽然速度大大提高了，但系统不太安全，一块硬盘出了问题，就再也找不回来数据了。
其实linux命令zgret我是想把系统装在RAID0 之中，因为这样才能提高系统运行的速度。就算硬盘坏了，不过也是系统重新安装一遍而已。但是要实现这些，两个硬盘做RAID0，再有个硬盘存储日常的数 据，或者采用安全的RAID5。无论如何，都要求除了机器有RAID卡之外，必须是三块硬盘了。
所以想来，索性做Software Raid。因为我这机器，CPU核心多，所以相信，软件RAID并不会拖累CPU速度。
而且Linux的软件RAID，能够把硬盘上的两个分区，不管大小是否相同，都能做成RAID0的。
使用Ubuntu 9.10 Live CD(我是把它弄到一个U盘上去了，用U盘启动安装的)。接下来就研究如何实现软件RAID，并且把系统安装于其上。我尝试了几次，最后终于成功。下面就是记录：
用Ubuntu 9.10 Live CD启动以后，进入一个虚拟的ubuntu linux之中。注意，ubuntu缺省并没有软件RAID的驱动程序，所以首先要在这个虚拟的LINUX中安装它。
1)虽然是只是Live CD的LINUX，仍然要选择一个速度快一些的源，比如mirror.lupaworld.com之类。
2)使用命令： sudo apt-get install mdadm 来安装
mdadm是LINUX下管理软件RAID的命令。安装它的时候，自然就把它所依赖的软件RAID驱动程序也安装了。在/lib/modules/2.6.31-14-generic/kernel/drivers下可以看到有了md目录。
3)建立RAID分区
sudo mdadm --create /dev/md0 --auto yes -l 0 -n 2 /dev/sda6 dev/sdb3
上述命令中，--create /dev/md0 表明要创建的软件RAID设备是 /dev/md0
--auto yes 含义明显就中“全自动创建”
-l 0 是RAID的级别，我为了速度第一，自然选择RAID0
-n 2 是代表使用两个硬盘分区，后面的 /dev/sda6 dev/sdb3 就是两个要做RAID的分区了。
4)开始安装LINUX，注意，进入分区时，选择手工分区。
5)在手工分区中，选择/dev/md0作为自己的/目录。我是另外再选择了个小分区作为/boot目录，以免GRUB都起不来。
6)开始安装，如同平时ubuntu linux安装，只是注意，安装到最后，不要重启。因为我们还有事情要做。
主要的问题在于，缺省安装的ubuntu linux是没有软RAID驱动程序的，所以上述的安装的结果是，GRUB虽然能够启动，但是调入LINUX核心后，却根本找不到我们刚才做的/dev/md0这个RAID的分区。所以LINUX无法启动。
解决这个问题的办法就是，一定要在启动的核心中，加上软件RAID的驱动程序。
我参考了这篇文档：
虽然它讲述的是ubuntu 9.04上的(注意9.10的GRUB与9.04的有很大的区别)，且是硬件RAID的安装。
7)以下命令：
把新的根目录分区和启动分区分别加载到 /targret和/target/boot目录下
sudo mount /dev/md0 /target
sudo mount /dev/sda7 /target/boot
然后：
sudo mount --bind /dev /target/dev/
sudo mount -t proc proc /target/proc/
sudo cp /etc/resolv.conf /target/etc/resolv.conf
sudo chroot /target/
做到这一步，实际上在当前窗口中，把你未来的系统给加载了上来，
8)以下命令：
sudo apt-get install mdadm
这就是在未来的新系统中安装上mdadm以及软件RAID的驱动程序
9)下面这条命令，是让启动时内存文件系统中，加载软件RAID的驱动程序，我的是RAID0
echo raid0 /etc/initramfs-tools/modules
10) 然后，更新一下启动时的内存文件系统
update-initramfs -u
11) 更新一下GRUB：
update-grub
好了，重启机器，正常的话，ubuntu linux就正常启动了。用df看一下，是不是/目录是加载在/dev/md0上的。
然后。可以用hdparm -t来测试一下硬盘的速度了。我实测达到了 140M/s。已经远远大于普通SATA II的硬盘速度了。
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linux服务器Raid5的安装与搭建.
1.安装 yum -y install madam-* 2.查看 fdisk -l 3.添加磁盘（最低五块）：右击虚拟机——设置——磁盘——添加——类型选择SATA，不要选择默认——确认添加 4.创建raid5 mdadm -Cv /dev/md0 -n -3 -l 5 -x 2 /dev/sdb /dev.sdc /dev/sdd /dev/sde /dev/sdf注：C=创建操作 v=创建显示过程 -n=构成raid卷所需的磁盘总数 -l=raid级别（总数量，n+x=l） -x=备用磁盘数量 /
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RAID磁盘阵列
一、RAID技术简介 独立磁盘冗余阵列（RAID，redundant array of independent disks）是把相同的数据存储在多个硬盘的不同的地方（因此，冗余地）的方法。通过把数据放在多个硬盘上，输入输出操作能以平衡的方式交叠，改良性能。因为多个硬盘增加了平均故障间隔时间（MTBF），储存冗余数据也增加了容错。RAID技术可以通过对磁盘上的数据进行条带化，实现对数据成块存取，...
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Linux硬raid制作,linux下如何实验硬raid5
服务器硬件配置情况：4核／ 8G／320G＊4+500G1块500G硬盘用系统，3块同型号品牌320G的硬盘用来做raid，还有1块用来做扩容实验。操作系统：linux5，64位。raid卡型号：RocketRaid1740raid卡驱动安装中support/BIOSdrives下载RocketRaid1740对应操作系统的驱动程序及手册。安装步骤：1.将驱动包解压后拷贝到U盘里，并将U...
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板载raid如何安装linux
在raid上装linux系统
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