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butex.h 学习笔记

源码

1 概述

butex.h 提供了一种用户态同步原语 butex（类似 Linux 的 futex），专为 bthread 设计，用于高效协调线程的阻塞与唤醒。其核心是通过原子操作结合等待队列管理，减少内核态切换开销，适用于高并发场景。

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2 核心功能模块

2.1 基本操作

• 创建与销毁：

  • butex_create(): 创建 32 位 butex 对象，返回指针（非跨进程）。
  • butex_create_checked<T>(): 类型安全的创建（需 sizeof(T) == sizeof(int)）。
  • butex_destroy(): 销毁 butex，释放资源。

• 等待机制：

  • butex_wait(): 原子等待 butex 值等于 expected_value，支持超时（绝对时间 abstime）和队列插入位置控制（prepend 决定头或尾）。

• 唤醒机制：

  • 单次唤醒：butex_wake() 唤醒至多 1 个线程。
  • 批量唤醒：butex_wake_n(n) 唤醒最多 n 个线程（n=0 唤醒全部）。
  • 排除唤醒：butex_wake_except() 唤醒除指定线程外的所有等待者。
  • 队列转移：butex_requeue() 唤醒一个线程，其余迁移到另一 butex。

2.2 关键设计特点

• 轻量高效：

  • 用户态实现，避免内核切换。
  • MIN_SLEEP_US=2：短于 2μs 的休眠直接返回 ETIMEDOUT，减少无意义等待。

• 灵活唤醒策略：

  • 支持精确控制唤醒数量、排除特定线程、转移等待队列，满足复杂同步需求（如锁优化、条件变量实现）。

• 时间处理：

  • butex_wait 使用绝对时间（abstime），与 futex 的相对时间不同，需调用方正确处理时间转换。

• 队列顺序控制：

  • prepend 参数允许将线程插入等待队列头部，影响唤醒顺序（如实现非公平锁）。

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3 使用场景与示例

场景 1：实现互斥锁

• 加锁：检查 butex 值，若为 0（未锁定），原子设置为 1；否则调用 butex_wait 阻塞。
• 解锁：设置 butex 为 0，调用 butex_wake 唤醒一个等待线程。
• 优化：使用 butex_requeue 减少竞争，将等待线程迁移到另一队列。

场景 2：条件变量

• 等待条件：结合互斥锁，释放锁后调用 butex_wait 进入等待。
• 通知条件：条件满足时，通过 butex_wake_all 唤醒所有等待线程。

场景 3：任务取消

• 使用 butex_wake_except 唤醒除当前任务外的所有线程，避免自唤醒。

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4 注意事项

1. 资源管理：

   • 必须成对调用 butex_create 和 butex_destroy，防止内存泄漏。
   • 确保 butex_wait 前检查条件，避免虚假唤醒（类似 pthread_cond_wait）。

2. 时间处理：

   • 传递 abstime 时需使用 CLOCK_REALTIME 时间，正确计算绝对时间点。

3. 线程安全：

   • butex 本身不保证线程安全，需结合原子操作或上层同步原语使用。

4. 性能优化：

   • 短时等待直接返回 ETIMEDOUT，避免无意义调度。
   • nosignal 参数可能用于减少信号开销，需根据场景选择。

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5 函数对比与扩展

函数	功能	类比 futex
butex_wake	唤醒 1 个线程	FUTEX_WAKE (1)
butex_wake_n	唤醒最多 n 个线程	FUTEX_WAKE (n)
butex_requeue	唤醒 1 个，转移其余到另一 butex	FUTEX_REQUEUE
butex_wait	带条件的等待（绝对超时）	FUTEX_WAIT_BITSET

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6 总结

butex 是 bthread 库中高效同步的核心机制，通过用户态原子操作与等待队列管理，为上层同步原语（如互斥锁、条件变量）提供基础。其设计注重灵活性与性能，适用于高并发、低延迟场景。开发者需合理选择唤醒策略、处理时间与资源，以充分发挥其优势。