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RCU（Read-Copy Update）是數(shù)據(jù)同步的一種方式，在當(dāng)前的Linux內(nèi)核中發(fā)揮著重要的作用。RCU主要針對的數(shù)據(jù)對象是鏈表，目的是提高遍歷讀取數(shù)據(jù)的效率，為了達(dá)到目的使用RCU機(jī)制讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候不對鏈表進(jìn)行耗時(shí)的加鎖操作。這樣在同一時(shí)間可以有多個(gè)線程同時(shí)讀取該鏈表，并且允許一個(gè)線程對鏈表進(jìn)行修改（修改的時(shí)候，需要加鎖）。RCU適用于需要頻繁的讀取數(shù)據(jù)，而相應(yīng)修改數(shù)據(jù)并不多的情景，例如在文件系統(tǒng)中，經(jīng)常需要查找定位目錄，而對目錄的修改相對來說并不多，這就是RCU發(fā)揮作用的最佳場景。
Linux內(nèi)核源碼當(dāng)中，關(guān)于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(nèi)核中RCU源碼的主要實(shí)現(xiàn)者，他也寫了很多RCU方面的文章。今天我們而主要來說說linux內(nèi)核rcu的機(jī)制詳解。
在RCU的實(shí)現(xiàn)過程中，我們主要解決以下問題：
1，在讀取過程中，另外一個(gè)線程刪除了一個(gè)節(jié)點(diǎn)。刪除線程可以把這個(gè)節(jié)點(diǎn)從鏈表中移除，但它不能直接銷毀這個(gè)節(jié)點(diǎn)，必須等到所有的讀取線程讀取完成以后，才進(jìn)行銷毀操作。RCU中把這個(gè)過程稱為寬限期（Grace period）。
2，在讀取過程中，另外一個(gè)線程插入了一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，而讀線程讀到了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么需要保證讀到的這個(gè)節(jié)點(diǎn)是完整的。這里涉及到了發(fā)布-訂閱機(jī)制（Publish-Subscribe Mechanism）。
3， 保證讀取鏈表的完整性。新增或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不至于導(dǎo)致遍歷一個(gè)鏈表從中間斷開。但是RCU并不保證一定能讀到新增的節(jié)點(diǎn)或者不讀到要被刪除的節(jié)點(diǎn)。
寬限期
通過例子，方便理解這個(gè)內(nèi)容。以下例子修改于Paul的文章。
struct foo {
int a;
char b;
long c;
};
DEFINE_SPINLOCK（foo_mutex）;
struct foo *gbl_foo;
void foo_read （void）
{
foo *fp = gbl_foo;
if （ fp ！= NULL ）
dosomething（fp-》a， fp-》b ， fp-》c ）;
}
void foo_update（ foo* new_fp ）
{
spin_lock（&foo_mutex）;
foo *old_fp = gbl_foo;
gbl_foo = new_fp;
spin_unlock（&foo_mutex）;
kfee（old_fp）;
}
如上的程序，是針對于全局變量gbl_foo的操作。假設(shè)以下場景。有兩個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行 foo_ read和foo_update的時(shí)候，當(dāng)foo_ read執(zhí)行完賦值操作后，線程發(fā)生切換；此時(shí)另一個(gè)線程開始執(zhí)行foo_update并執(zhí)行完成。當(dāng)foo_ read運(yùn)行的進(jìn)程切換回來后，運(yùn)行dosomething 的時(shí)候，fp已經(jīng)被刪除，這將對系統(tǒng)造成危害。為了防止此類事件的發(fā)生，RCU里增加了一個(gè)新的概念叫寬限期（Grace period）。如下圖所示：
圖中每行代表一個(gè)線程，最下面的一行是刪除線程，當(dāng)它執(zhí)行完刪除操作后，線程進(jìn)入了寬限期。寬限期的意義是，在一個(gè)刪除動(dòng)作發(fā)生后，它必須等待所有在寬限期開始前已經(jīng)開始的讀線程結(jié)束，才可以進(jìn)行銷毀操作。這樣做的原因是這些線程有可能讀到了要?jiǎng)h除的元素。圖中的寬限期必須等待1和2結(jié)束；而讀線程5在寬限期開始前已經(jīng)結(jié)束，不需要考慮；而3，4，6也不需要考慮，因?yàn)樵趯捪奁诮Y(jié)束后開始后的線程不可能讀到已刪除的元素。為此RCU機(jī)制提供了相應(yīng)的API來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。
void foo_read（void）
{
rcu_read_lock（）;
foo *fp = gbl_foo;
if （ fp ！= NULL ）
dosomething（fp-》a，fp-》b，fp-》c）;
rcu_read_unlock（）;
}
void foo_update（ foo* new_fp ）
{
spin_lock（&foo_mutex）;
foo *old_fp = gbl_foo;
gbl_foo = new_fp;
spin_unlock（&foo_mutex）;
synchronize_rcu（）;
kfee（old_fp）;
}
其中foo_read中增加了rcu_read_lock和rcu_read_unlock，這兩個(gè)函數(shù)用來標(biāo)記一個(gè)RCU讀過程的開始和結(jié)束。其實(shí)作用就是幫助檢測寬限期是否結(jié)束。
foo_update增加了一個(gè)函數(shù)synchronize_rcu（），調(diào)用該函數(shù)意味著一個(gè)寬限期的開始，而直到寬限期結(jié)束，該函數(shù)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(yùn)行結(jié)束，就調(diào)用kfee（old_fp），極有可能造成系統(tǒng)崩潰。而3，4，6在synchronize_rcu之后運(yùn)行，此時(shí)它們已經(jīng)不可能得到old_fp，此次的kfee將不對它們產(chǎn)生影響。
寬限期是RCU實(shí)現(xiàn)中最復(fù)雜的部分，原因是在提高讀數(shù)據(jù)性能的同時(shí)，刪除數(shù)據(jù)的性能也不能太差。
訂閱——發(fā)布機(jī)制
當(dāng)前使用的編譯器大多會對代碼做一定程度的優(yōu)化，CPU也會對執(zhí)行指令做一些優(yōu)化調(diào)整，目的是提高代碼的執(zhí)行效率，但這樣的優(yōu)化，有時(shí)候會帶來不期望的結(jié)果。如例：
void foo_update（ foo* new_fp ）
{
spin_lock（&foo_mutex）;
foo *old_fp = gbl_foo;
new_fp-》a = 1;
new_fp-》b = ‘b’;
new_fp-》c = 100;
gbl_foo = new_fp;
spin_unlock（&foo_mutex）;
synchronize_rcu（）;
kfee（old_fp）;
}
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(zhí)行。但優(yōu)化后的代碼并不對執(zhí)行順序做出保證。在這種情形下，一個(gè)讀線程很可能讀到 new_fp，但new_fp的成員賦值還沒執(zhí)行完成。當(dāng)讀線程執(zhí)行dosomething（fp-》a， fp-》b ， fp-》c ） 的 時(shí)候，就有不確定的參數(shù)傳入到dosomething，極有可能造成不期望的結(jié)果，甚至程序崩潰。可以通過優(yōu)化屏障來解決該問題，RCU機(jī)制對優(yōu)化屏障做了包裝，提供了專用的API來解決該問題。這時(shí)候，第十行不再是直接的指針賦值，而應(yīng)該改為 ：
rcu_assign_pointer（gbl_foo，new_fp）;
rcu_assign_pointer的實(shí)現(xiàn)比較簡單，如下：
#define rcu_assign_pointer（p， v） \
__rcu_assign_pointer（（p）， （v）， __rcu）
#define __rcu_assign_pointer（p， v， space） \
do { \
smp_wmb（）; \
?。╬） = （typeof（*v） __force space *）（v）; \
} while （0）
我們可以看到它的實(shí)現(xiàn)只是在賦值之前加了優(yōu)化屏障 smp_wmb來確保代碼的執(zhí)行順序。另外就是宏中用到的__rcu，只是作為編譯過程的檢測條件來使用的。
在DEC Alpha CPU機(jī)器上還有一種更強(qiáng)悍的優(yōu)化，如下所示：
void foo_read（void）
{
rcu_read_lock（）;
foo *fp = gbl_foo;
if （ fp ！= NULL ）
dosomething（fp-》a， fp-》b ，fp-》c）;
rcu_read_unlock（）;
}
第六行的 fp-》a，fp-》b，fp-》c會在第3行還沒執(zhí)行的時(shí)候就預(yù)先判斷運(yùn)行，當(dāng)他和foo_update同時(shí)運(yùn)行的時(shí)候，可能導(dǎo)致傳入dosomething的一部分屬于舊的gbl_foo，而另外的屬于新的。這樣導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果的錯(cuò)誤。為了避免該類問題，RCU還是提供了宏來解決該問題：
#define rcu_dereference（p） rcu_dereference_check（p， 0）
#define rcu_dereference_check（p， c） \
__rcu_dereference_check（（p）， rcu_read_lock_held（） || （c）， __rcu）
#define __rcu_dereference_check（p， c， space） \
?。▄ \
typeof（*p） *_________p1 = （typeof（*p）*__force ）ACCESS_ONCE（p）; \
rcu_lockdep_assert（c， “suspicious rcu_dereference_check（）” \
“ usage”）; \
rcu_dereference_sparse（p， space）; \
smp_read_barrier_depends（）; \
?。ǎ╰ypeof（*p） __force __kernel *）（_________p1））; \
}）
static inline int rcu_read_lock_held（void）
{
if （！debug_lockdep_rcu_enabled（））
return 1;
if （rcu_is_cpu_idle（））
return 0;
if （！rcu_lockdep_current_cpu_online（））
return 0;
return lock_is_held（&rcu_lock_map）;
}
這段代碼中加入了調(diào)試信息，去除調(diào)試信息，可以是以下的形式（其實(shí)這也是舊版本中的代碼）：
#define rcu_dereference（p） （{ \
typeof（p） _________p1 = p; \
smp_read_barrier_depends（）; \
?。╛________p1）; \
}）
在賦值后加入優(yōu)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。
數(shù)據(jù)讀取的完整性
還是通過例子來說明這個(gè)問題：
如圖我們在原list中加入一個(gè)節(jié)點(diǎn)new到A之前，所要做的第一步是將new的指針指向A節(jié)點(diǎn)，第二步才是將Head的指針指向new。這樣做的目的是當(dāng)插入操作完成第一步的時(shí)候，對于鏈表的讀取并不產(chǎn)生影響，而執(zhí)行完第二步的時(shí)候，讀線程如果讀到new節(jié)點(diǎn)，也可以繼續(xù)遍歷鏈表。如果把這個(gè)過程反過來，第一步head指向new，而這時(shí)一個(gè)線程讀到new，由于new的指針指向的是Null，這樣將導(dǎo)致讀線程無法讀取到A，B等后續(xù)節(jié)點(diǎn)。從以上過程中，可以看出RCU并不保證讀線程讀取到new節(jié)點(diǎn)。如果該節(jié)點(diǎn)對程序產(chǎn)生影響，那么就需要外部調(diào)用做相應(yīng)的調(diào)整。如在文件系統(tǒng)中，通過RCU定位后，如果查找不到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，就會進(jìn)行其它形式的查找，相關(guān)內(nèi)容等分析到文件系統(tǒng)的時(shí)候再進(jìn)行敘述。
我們再看一下刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)的例子：
如圖我們希望刪除B，這時(shí)候要做的就是將A的指針指向C，保持B的指針，然后刪除程序?qū)⑦M(jìn)入寬限期檢測。由于B的內(nèi)容并沒有變更，讀到B的線程仍然可以繼續(xù)讀取B的后續(xù)節(jié)點(diǎn)。B不能立即銷毀，它必須等待寬限期結(jié)束后，才能進(jìn)行相應(yīng)銷毀操作。由于A的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)指向了C，當(dāng)寬限期開始之后所有的后續(xù)讀操作通過A找到的是C，而B已經(jīng)隱藏了，后續(xù)的讀線程都不會讀到它。這樣就確保寬限期過后，刪除B并不對系統(tǒng)造成影響。
小結(jié)
RCU的原理并不復(fù)雜，應(yīng)用也很簡單。但代碼的實(shí)現(xiàn)確并不是那么容易，難點(diǎn)都集中在了寬限期的檢測上，后續(xù)分析源代碼的時(shí)候，我們可以看到一些極富技巧的實(shí)現(xiàn)方式。
工商網(wǎng)監(jiān)
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