【原创】Linux RCU原理剖析（一）-初窥门径

背景

• Read the fucking source code! --By 鲁迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明：

1. Kernel版本：4.14
2. ARM64处理器，Contex-A53，双核
3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

RCU, Read-Copy-Update，是Linux内核中的一种同步机制。

RCU常被描述为读写锁的替代品，它的特点是读者并不需要直接与写者进行同步，读者与写者也能并发的执行。RCU的目标就是最大程度来减少读者侧的开销，因此也常用于对读者性能要求高的场景。

• 优点：

  1. 读者侧开销很少、不需要获取任何锁，不需要执行原子指令或者内存屏障；
  2. 没有死锁问题；
  3. 没有优先级反转的问题；
  4. 没有内存泄露的危险问题；
  5. 很好的实时延迟；

• 缺点：

  1. 写者的同步开销比较大，写者之间需要互斥处理；
  2. 使用上比其他同步机制复杂；

来一张图片来描述下大体的操作吧：

• 多个读者可以并发访问临界资源，同时使用rcu_read_lock/rcu_read_unlock来标定临界区；
• 写者(updater)在更新临界资源的时候，拷贝一份副本作为基础进行修改，当所有读者离开临界区后，把指向旧临界资源的指针指向更新后的副本，并对旧资源进行回收处理；
• 图中只显示一个写者，当存在多个写者的时候，需要在写者之间进行互斥处理；

上述的描述比较简单，RCU的实现很复杂。本文先对RCU来一个初印象，并结合接口进行实例分析，后续文章再逐层深入到背后的实现原理。开始吧！

2. RCU基础

2.1 RCU基本要素

RCU的基本思想是将更新Update操作分为两个部分：1）Removal移除；2）Reclamation回收。

直白点来理解就是，临界资源被多个读者读取，写者在拷贝副本修改后进行更新时，第一步需要先把旧的临界资源数据移除（修改指针指向），第二步需要把旧的数据进行回收（比如kfree）。

因此，从功能上分为以下三个基本的要素：Reader/Updater/Reclaimer，三者之间的交互如下图：

1. Reader

   • 使用rcu_read_lock和rcu_read_unlock来界定读者的临界区，访问受RCU保护的数据时，需要始终在该临界区域内访问；
   • 在访问受保护的数据之前，需要使用rcu_dereference来获取RCU-protected指针；
   • 当使用不可抢占的RCU时，rcu_read_lock/rcu_read_unlock之间不能使用可以睡眠的代码；

2. Updater

   • 多个Updater更新数据时，需要使用互斥机制进行保护；
   • Updater使用rcu_assign_pointer来移除旧的指针指向，指向更新后的临界资源；
   • Updater使用synchronize_rcu或call_rcu来启动Reclaimer，对旧的临界资源进行回收，其中synchronize_rcu表示同步等待回收，call_rcu表示异步回收；

3. Reclaimer

   • Reclaimer回收的是旧的临界资源；
   • 为了确保没有读者正在访问要回收的临界资源，Reclaimer需要等待所有的读者退出临界区，这个等待的时间叫做宽限期（Grace Period）；

2.2 RCU三个基本机制

用来提供上述描述的功能，RCU基于三种机制来实现。

2.2.1 Publish-Subscribe Mechanism

订阅机制是个什么概念，来张图：

• Updater与Reader类似于Publisher和Subsriber的关系；
• Updater更新内容后调用接口进行发布，Reader调用接口读取发布内容；

那么这种订阅机制，需要做点什么来保证呢？来看一段伪代码：

 /* Definiton of global structure */
 1 struct foo {
  2   int a;
  3   int b;
  4   int c;
  5 };
  6 struct foo *gp = NULL;
  7
  8 /* . . . */
  9 /* =========Updater======== */
 10 p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
 11 p->a = 1;
 12 p->b = 2;
 13 p->c = 3;
 14 gp = p;
 15
 16 /* =========Reader======== */
 17 p = gp;
 18 if (p != NULL) {
 19   do_something_with(p->a, p->b, p->c);
 20 }

乍一看似乎问题不大，Updater进行赋值更新，Reader进行读取和其他处理。然而，由于存在编译乱序和执行乱序的问题，上述代码的执行顺序不见得就是代码的顺序，比如在某些架构（DEC Alpha）中，读者的操作部分，可能在p赋值之前就操作了do_something_with()。

为了解决这个问题，Linux提供了rcu_assign_pointer/rcu_dereference宏来确保执行顺序，Linux内核也基于rcu_assign_pointer/rcu_dereference宏进行了更高层的封装，比如list, hlist，因此，在内核中有三种被RCU保护的场景：1）指针；2）list链表；3）hlist哈希链表。

针对这三种场景，Publish-Subscribe接口如下表：

2.2.2 Wait For Pre-Existing RCU Readers to Complete

Reclaimer需要对旧的临界资源进行回收，那么问题来了，什么时候进行呢？因此RCU需要提供一种机制来确保之前的RCU读者全部都已经完成，也就是退出了rcu_read_lock/rcu_read_unlock标定的临界区后，才能进行回收处理。

• 图中Readers和Updater并发执行；
• 当Updater执行Removal操作后，调用synchronize_rcu，标志着更新结束并开始进入回收阶段；
• 在synchronize_rcu调用后，此时可能还有新的读者来读取临界资源(更新后的内容)，但是，Grace Period只等待Pre-Existing的读者，也就是在图中的Reader-4, Reader-5。只要这些之前就存在的RCU读者退出临界区后，意味着宽限期的结束，因此就进行回收处理工作了；
• synchronize_rcu并不是在最后一个Pre-ExistingRCU读者离开临界区后立马就返回，它可能存在一个调度延迟；

2.2.3 Maintain Multiple Versions of Recently Updated Objects

从2.2.2节可以看出，在Updater进行更新后，在Reclaimer进行回收之前，是会存在新旧两个版本的临界资源的，只有在synchronize_rcu返回后，Reclaimer对旧的临界资源进行回收，最后剩下一个版本。显然，在有多个Updater时，临界资源的版本会更多。

还是来张图吧，分别以指针和链表为例：

• 调用synchronize_rcu开始为临界点，分别维护不同版本的临界资源；
• 等到Reclaimer回收旧版本资源后，最终归一统；

3. RCU示例分析

是时候来一波fucking sample code了。

• 整体的代码逻辑：
  1. 构造四个内核线程，两个内核线程测试指针的RCU保护操作，两个内核线程用于测试链表的RCU保护操作；
  2. 在回收的时候，分别用了synchronize_rcu同步回收和call_rcu异步回收两种机制；
  3. 为了简化代码，基本的容错判断都已经省略了；
  4. 没有考虑多个Updater的机制，因此，也省略掉了Updater之间的互斥操作；

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/kthread.h>
#include <linux/rcupdate.h>
#include <linux/delay.h>

struct foo {
	int a;
	int b;
	int c;
	struct rcu_head rcu;
	struct list_head list;
};

static struct foo *g_pfoo = NULL;

LIST_HEAD(g_rcu_list);

struct task_struct *rcu_reader_t;
struct task_struct *rcu_updater_t;
struct task_struct *rcu_reader_list_t;
struct task_struct *rcu_updater_list_t;

/* 指针的Reader操作 */
static int rcu_reader(void *data)
{
	struct foo *p = NULL;
	int cnt = 100;

	while (cnt--) {
		msleep(100);
		rcu_read_lock();
		p = rcu_dereference(g_pfoo);
		pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %d\n",
				__func__, p->a, p->b, p->c);
		rcu_read_unlock();
	}

	return 0;
}

/*  回收处理操作 */
static void rcu_reclaimer(struct rcu_head *rh)
{
	struct foo *p = container_of(rh, struct foo, rcu);
	pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %d\n",
			__func__, p->a, p->b, p->c);
	kfree(p);
}

/* 指针的Updater操作 */
static int rcu_updater(void *data)
{
	int value = 1;
	int cnt = 100;

	while (cnt--) {
		struct foo *old;
		struct foo *new = (struct foo *)kzalloc(sizeof(struct foo), GFP_KERNEL);

		msleep(200);

		old = g_pfoo;

		*new = *g_pfoo;
		new->a = value;
		new->b = value + 1;
		new->c = value + 2;
		rcu_assign_pointer(g_pfoo, new);

		pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %d\n",
				__func__, new->a, new->b, new->c);

		call_rcu(&old->rcu, rcu_reclaimer);

		value++;
	}

	return 0;
}

/* 链表的Reader操作 */
static int rcu_reader_list(void *data)
{
	struct foo *p = NULL;
	int cnt = 100;

	while (cnt--) {
		msleep(100);
		rcu_read_lock();
		list_for_each_entry_rcu(p, &g_rcu_list, list) {
			pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %d\n",
					__func__, p->a, p->b, p->c);
		}
		rcu_read_unlock();
	}

	return 0;
}

/* 链表的Updater操作 */
static int rcu_updater_list(void *data)
{
	int cnt = 100;
	int value = 1000;

	while (cnt--) {
		msleep(100);
		struct foo *p = list_first_or_null_rcu(&g_rcu_list, struct foo, list);
		struct foo *q = (struct foo *)kzalloc(sizeof(struct foo), GFP_KERNEL);

		*q = *p;
		q->a = value;
		q->b = value + 1;
		q->c = value + 2;

		list_replace_rcu(&p->list, &q->list);

		pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %d\n",
				__func__, q->a, q->b, q->c);

		synchronize_rcu();
		kfree(p);

		value++;
	}

	return 0;
}

/* module初始化 */
static int rcu_test_init(void)
{
	struct foo *p;

	rcu_reader_t = kthread_run(rcu_reader, NULL, "rcu_reader");
	rcu_updater_t = kthread_run(rcu_updater, NULL, "rcu_updater");
	rcu_reader_list_t = kthread_run(rcu_reader_list, NULL, "rcu_reader_list");
	rcu_updater_list_t = kthread_run(rcu_updater_list, NULL, "rcu_updater_list");

	g_pfoo = (struct foo *)kzalloc(sizeof(struct foo), GFP_KERNEL);

	p = (struct foo *)kzalloc(sizeof(struct foo), GFP_KERNEL);
	list_add_rcu(&p->list, &g_rcu_list);

	return 0;
}

/* module清理工作 */
static void rcu_test_exit(void)
{
	kfree(g_pfoo);
	kfree(list_first_or_null_rcu(&g_rcu_list, struct foo, list));

	kthread_stop(rcu_reader_t);
	kthread_stop(rcu_updater_t);
	kthread_stop(rcu_reader_list_t);
	kthread_stop(rcu_updater_list_t);
}

module_init(rcu_test_init);
module_exit(rcu_test_exit);

MODULE_AUTHOR("Loyen");
MODULE_LICENSE("GPL");

为了证明没有骗人，贴出在开发板上运行的输出log，如下图：

4. API介绍

4.1 核心API

下边的这些接口，不能更核心了。

a.      rcu_read_lock()  //标记读者临界区的开始
b.      rcu_read_unlock()  //标记读者临界区的结束
c.      synchronize_rcu() / call_rcu() //等待Grace period结束后进行资源回收
d.      rcu_assign_pointer()  //Updater使用这个宏对受RCU保护的指针进行赋值
e.      rcu_dereference()  //Reader使用这个宏来获取受RCU保护的指针

4.2 其他相关API

基于核心的API，扩展了其他相关的API，如下，不再详述：

RCU list traversal::

        list_entry_rcu
        list_entry_lockless
        list_first_entry_rcu
        list_next_rcu
        list_for_each_entry_rcu
        list_for_each_entry_continue_rcu
        list_for_each_entry_from_rcu
        list_first_or_null_rcu
        list_next_or_null_rcu
        hlist_first_rcu
        hlist_next_rcu
        hlist_pprev_rcu
        hlist_for_each_entry_rcu
        hlist_for_each_entry_rcu_bh
        hlist_for_each_entry_from_rcu
        hlist_for_each_entry_continue_rcu
        hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
        hlist_nulls_first_rcu
        hlist_nulls_for_each_entry_rcu
        hlist_bl_first_rcu
        hlist_bl_for_each_entry_rcu

RCU pointer/list update::

        rcu_assign_pointer
        list_add_rcu
        list_add_tail_rcu
        list_del_rcu
        list_replace_rcu
        hlist_add_behind_rcu
        hlist_add_before_rcu
        hlist_add_head_rcu
        hlist_add_tail_rcu
        hlist_del_rcu
        hlist_del_init_rcu
        hlist_replace_rcu
        list_splice_init_rcu
        list_splice_tail_init_rcu
        hlist_nulls_del_init_rcu
        hlist_nulls_del_rcu
        hlist_nulls_add_head_rcu
        hlist_bl_add_head_rcu
        hlist_bl_del_init_rcu
        hlist_bl_del_rcu
        hlist_bl_set_first_rcu

RCU::

        Critical sections       Grace period            Barrier

        rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
        rcu_read_unlock         synchronize_rcu
        rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
        rcu_read_lock_held      call_rcu
        rcu_dereference_check   kfree_rcu
        rcu_dereference_protected

bh::

        Critical sections       Grace period            Barrier

        rcu_read_lock_bh        call_rcu                rcu_barrier
        rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu
        [local_bh_disable]      synchronize_rcu_expedited
        [and friends]
        rcu_dereference_bh
        rcu_dereference_bh_check
        rcu_dereference_bh_protected
        rcu_read_lock_bh_held

sched::

        Critical sections       Grace period            Barrier

        rcu_read_lock_sched     call_rcu                rcu_barrier
        rcu_read_unlock_sched   synchronize_rcu
        [preempt_disable]       synchronize_rcu_expedited
        [and friends]
        rcu_read_lock_sched_notrace
        rcu_read_unlock_sched_notrace
        rcu_dereference_sched
        rcu_dereference_sched_check
        rcu_dereference_sched_protected
        rcu_read_lock_sched_held

SRCU::

        Critical sections       Grace period            Barrier

        srcu_read_lock          call_srcu               srcu_barrier
        srcu_read_unlock        synchronize_srcu
        srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
        srcu_dereference_check
        srcu_read_lock_held

SRCU: Initialization/cleanup::

        DEFINE_SRCU
        DEFINE_STATIC_SRCU
        init_srcu_struct
        cleanup_srcu_struct

All: lockdep-checked RCU-protected pointer access::

        rcu_access_pointer
        rcu_dereference_raw
        RCU_LOCKDEP_WARN
        rcu_sleep_check
        RCU_NONIDLE

好吧，罗列这些API有点然并卵。

RCU这个神秘的面纱算是初步揭开了，再往里边扒衣服的话，就会显得有些难了，毕竟RCU背后的实现机制确实挺困难的。那么，问题来了，要不要做一个扒衣见君者呢，敬请关注吧。

参考

Documentation/RCU

What is RCU, Fundamentally?

What is RCU? Part 2: Usage

RCU part 3: the RCU API

Introduction to RCU

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