Linux RCU 機制詳解

1、簡介：

RCU（Read-Copy Update）是數據同步的一種方式，在當前的Linux內核中發揮著重要的作用。

RCU主要針對的數據對象是鏈表，目的是提高遍歷讀取數據的效率，為了達到目的使用RCU機制讀取數據的時候不對鏈表進行耗時的加鎖操作。這樣在同一時間可以有多個線程同時讀取該鏈表，並且允許一個線程對鏈表進行修改（修改的時候，需要加鎖）。

2、應用場景：

RCU適用於需要頻繁的讀取數據，而相應修改數據並不多的情景，例如在文件系統中，經常需要查找定位目錄，而對目錄的修改相對來說並不多，這就是RCU發揮作用的最佳場景。

3、相應資料：

Linux內核源碼當中,關於RCU的文檔比較齊全，你可以在 /Documentation/RCU/ 目錄下找到這些文件。

Paul E. McKenney 是內核中RCU源碼的主要實現者，他也寫了很多RCU方面的文章。他把這些文章和一些關於RCU的論文的鏈接整理到了一起。相應鏈接如下：

http://www2.rdrop.com/users/paulmck/RCU/

4、實現過程：

在RCU的實現過程中，我們主要解決以下問題：

1，在讀取過程中，另外一個線程刪除了一個節點。刪除線程可以把這個節點從鏈表中移除，但它不能直接銷毀這個節點，必須等到所有的讀取線程讀取完成以後，才進行銷毀操作。RCU中把這個過程稱為寬限期（Grace period）。

2，在讀取過程中，另外一個線程插入了一個新節點，而讀線程讀到了這個節點，那麼需要保證讀到的這個節點是完整的。這裡涉及到了發佈-訂閱機制（Publish-Subscribe Mechanism）。

3， 保證讀取鏈表的完整性。新增或者刪除一個節點，不至於導致遍歷一個鏈表從中間斷開。但是RCU並不保證一定能讀到新增的節點或者不讀到要被刪除的節點。

4.1 寬限期：

通過例子，方便理解這個內容。以下例子修改於Paul的文章。

 1 struct foo{
 2     int a;
 3     char b;
 4     long c;
 5 };
 6 
 7 DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
 8 
 9 void foo_read(void)
10 {
11     foo *fp = gbl_foo;
12     if( fp != NULL )
13     {
14         dosomthing(fp->a, fp->b, fp->c);
15     }
16 }
17 
18 void foo_update(foo * new_fp)
19 {
20     spin_lock(&foo_mutex);
21     foo *old_fp = gbl_foo;
22     gbl_foo = new_fp;
23     spin_unlock(&foo_mutex);
24 }

 如上的程式，是針對於全局變數gbl_foo的操作。假設以下場景。有兩個線程同時運行 foo_ read和foo_update的時候，當foo_ read執行完賦值操作後，線程發生切換；此時另一個線程開始執行foo_update並執行完成。當foo_ read運行的進程切換回來後，運行dosomething 的時候，fp已經被刪除，這將對系統造成危害。為了防止此類事件的發生，RCU里增加了一個新的概念叫寬限期（Grace period）。如下圖所示：

圖中每行代表一個線程，最下麵的一行是刪除線程，當它執行完刪除操作後，線程進入了寬限期。寬限期的意義是，在一個刪除動作發生後，它必須等待所有在寬限期開始前已經開始的讀線程結束，才可以進行銷毀操作。這樣做的原因是這些線程有可能讀到了要刪除的元素。圖中的寬限期必須等待1和2結束；而讀線程5在寬限期開始前已經結束，不需要考慮；而3,4,6也不需要考慮，因為在寬限期結束後開始後的線程不可能讀到已刪除的元素。為此RCU機制提供了相應的API來實現這個功能。

 1 void foo_read(void)
 2 {
 3     rcu_read_lock();
 4     foo *fp = gbl_foo;
 5     if( fp != NULL )
 6         dosomthing(fp->a, fp->b, fp->c);
 7     rcu_read_unlock();
 8 }
 9 
10 void foo_update(foo *new_fp)
11 {
12     spin_lock(&foo_mutex);
13     foo *old_fp = gbl_foo;
14     gbl_foo = new_fp;
15     spin_unlock(&foo_mutex);
16     synchronize_rcu();
17     kfree(old_fp);
18 }

其中foo_read中增加了rcu_read_lock和rcu_read_unlock，這兩個函數用來標記一個RCU讀過程的開始和結束。其實作用就是幫助檢測寬限期是否結束。foo_update增加了一個函數synchronize_rcu()，調用該函數意味著一個寬限期的開始，而直到寬限期結束，該函數才會返回。我們再對比著圖看一看，線程1和2，在synchronize_rcu之前可能得到了舊的gbl_foo，也就是foo_update中的old_fp，如果不等它們運行結束，就調用kfee(old_fp)，極有可能造成系統崩潰。而3,4,6在synchronize_rcu之後運行，此時它們已經不可能得到old_fp，此次的kfee將不對它們產生影響。

 寬限期是RCU實現中最複雜的部分,原因是在提高讀數據性能的同時，刪除數據的性能也不能太差。

 4.2 訂閱——發佈機制：

當前使用的編譯器大多會對代碼做一定程度的優化，CPU也會對執行指令做一些優化調整,目的是提高代碼的執行效率，但這樣的優化，有時候會帶來不期望的結果。如例：

 1 void foo_update(foo *new_fp)
 2 {
 3     spin_lock(&foo_mutex);
 4     foo *old_fp = gbl_foo;
 5     
 6     new_fp->a = 1;
 7     new_fp->b = 'b';
 8     new_fp->c = 100;
 9     
10     gbl_foo = new_fp;
11     spin_unlock(&foo_mutex);
12     synchronize_rcu();
13     kfree(old_fp);
14 }

這段代碼中，我們期望的是6，7，8行的代碼在第10行代碼之前執行。但優化後的代碼並不對執行順序做出保證。在這種情形下，一個讀線程很可能讀到 new_fp，但new_fp的成員賦值還沒執行完成。當讀線程執行dosomething(fp->a, fp->b , fp->c ) 的 時候，就有不確定的參數傳入到dosomething，極有可能造成不期望的結果，甚至程式崩潰。可以通過優化屏障來解決該問題，RCU機制對優化屏障做了包裝，提供了專用的API來解決該問題。這時候，第十行不再是直接的指針賦值，而應該改為 :

 rcu_assign_pointer(gbl_foo,new_fp);

 rcu_assign_pointer的實現比較簡單，如下：

1 #define rcu_assign_pointer(p, v) \
2     __rcu_assign_pointer((p), (v), __rcu)

1 #define RCU_INIT_POINTER(p, v) \
2         p = (typeof(*v) __force __rcu *)(v)

在DEC Alpha CPU機器上還有一種更強悍的優化，如下所示：

1 void foo_read(void)
2 {
3     rcu_read_lock();
4     foo *fp = gbl_foo;
5     if( fp != NULL )
6         dosomthing(fp->a, fp->b, fp->c);
7     rcu_read_unlock();
8 }

第六行的 fp->a,fp->b,fp->c會在第3行還沒執行的時候就預先判斷運行，當他和foo_update同時運行的時候，可能導致傳入dosomething的一部分屬於舊的gbl_foo，而另外的屬於新的。這樣導致運行結果的錯誤。為了避免該類問題，RCU還是提供了巨集來解決該問題：

 1 #define rcu_dereference_check(p, c) \
 2     __rcu_dereference_check((p), rcu_read_lock_held() || (c), __rcu)
 3 
 4 #define __rcu_dereference_check(p, c, space) \
 5     ({ \
 6         typeof(*p) *_________p1 = (typeof(*p)*__force )ACCESS_ONCE(p); \
 7         rcu_lockdep_assert(c, "suspicious rcu_dereference_check()" \
 8                       " usage"); \
 9         rcu_dereference_sparse(p, space); \
10         smp_read_barrier_depends(); \
11         ((typeof(*p) __force __kernel *)(_________p1)); \
12     })
13 
14 static inline int rcu_read_lock_held(void)
15 {
16     if (!debug_lockdep_rcu_enabled())
17         return 1;
18     if (rcu_is_cpu_idle())
19         return 0;
20     if (!rcu_lockdep_current_cpu_online())
21         return 0;
22     return lock_is_held(&rcu_lock_map);
23 }

這段代碼中加入了調試信息，去除調試信息，可以是以下的形式（其實這也是舊版本中的代碼）：

1 #define rcu_dereference_check(p) ({\
2                                     typeof(p) _____p1  = p; \
3                                     smp_read_barrier_depends(); \
4                                     (_____p1); \
5                                   })

在賦值後加入優化屏障smp_read_barrier_depends()。

我們之前的第四行代碼改為 foo *fp = rcu_dereference(gbl_foo);，就可以防止上述問題。

4.3 數據讀取的完整性：

還是通過例子來說明這個問題：

如圖我們在原list中加入一個節點new到A之前，所要做的第一步是將new的指針指向A節點，第二步才是將Head的指針指向new。這樣做的目的是當插入操作完成第一步的時候，對於鏈表的讀取並不產生影響，而執行完第二步的時候，讀線程如果讀到new節點，也可以繼續遍歷鏈表。如果把這個過程反過來，第一步head指向new，而這時一個線程讀到new，由於new的指針指向的是Null，這樣將導致讀線程無法讀取到A，B等後續節點。從以上過程中，可以看出RCU並不保證讀線程讀取到new節點。如果該節點對程式產生影響，那麼就需要外部調用做相應的調整。如在文件系統中，通過RCU定位後，如果查找不到相應節點，就會進行其它形式的查找，相關內容等分析到文件系統的時候再進行敘述。

我們再看一下刪除一個節點的例子：

如圖我們希望刪除B，這時候要做的就是將A的指針指向C，保持B的指針，然後刪除程式將進入寬限期檢測。由於B的內容並沒有變更，讀到B的線程仍然可以繼續讀取B的後續節點。B不能立即銷毀，它必須等待寬限期結束後，才能進行相應銷毀操作。由於A的節點已經指向了C，當寬限期開始之後所有的後續讀操作通過A找到的是C，而B已經隱藏了，後續的讀線程都不會讀到它。這樣就確保寬限期過後，刪除B並不對系統造成影響。

5、小結：

RCU的原理並不複雜，應用也很簡單。但代碼的實現確並不是那麼容易，難點都集中在了寬限期的檢測上，後續分析源代碼的時候，我們可以看到一些極富技巧的實現方式。