详解Linux内核中的RCU机制

Linux内核是一个复杂的系统，它需要处理多种多样的并发问题，如进程调度、内存管理、设备驱动、网络协议等。为了保证数据的一致性和正确性，Linux内核提供了多种同步机制，如自旋锁、信号量、读写锁等。但是，这些同步机制都有一些缺点，比如：

• 自旋锁会导致CPU浪费时间在忙等待上，而且不能在抢占式内核中使用；
• 信号量会导致进程睡眠和唤醒，增加了上下文切换的开销；
• 读写锁会导致写者饥饿或者读者饥饿，而且在读者多写者少的情况下，写者还要获取锁的开销。

那么，有没有一种更好的同步机制呢？答案是有的，那就是RCU（Read Copy Update）。RCU是一种基于发布-订阅模式的同步机制，它可以实现高效的读取操作和低延迟的更新操作。RCU的基本思想是这样的：

• 读取操作不需要获取任何锁，只需要在临界区域中使用rcu_read_lock()和rcu_read_unlock()来标记；
• 更新操作需要先创建一个数据的副本，并在副本上进行修改，然后使用rcu_assign_pointer()来发布新数据，并使用call_rcu()或synchronize_rcu()来等待所有读取操作完成后回收旧数据。

RCU有什么优点呢？它有以下几个特点：

• RCU可以减少锁竞争和上下文切换，提高系统的并发性能和响应性；
• RCU可以避免死锁和优先级反转等问题，简化了编程模型；
• RCU可以适应不同的场景，如实时系统、NUMA系统、SMP系统等；
• RCU可以与其他同步机制结合使用，如自旋锁、原子操作等。

那么，RCU是如何工作的呢？它又有哪些应用场景呢？本文将从原理和应用两个方面来介绍RCU这个高效的同步机制。RCU的设计思想比较明确，通过新老指针替换的方式来实现免锁方式的共享保护。但是具体到代码的层面，理解起来多少还是会有些困难。在《深入Linux设备驱动程序内核机制》第4章中，已经非常明确地叙述了RCU背后所遵循的规则，这些规则是从一个比较高的视角来看，因为我觉得过多的代码分析反而容易让读者在细节上迷失方向。最近拿到书后，我又重头仔细看了RCU部分的文字，觉得还应该补充一点点内容，因为有些东西不一定适合写在书里。

RCU读取侧进入临界区的标志是调用rcu_read_lock，这个函数的代码是：

1. 
2. static inline void rcu_read_lock(void)
3. {
4. ​    __rcu_read_lock();
5. ​    __acquire(RCU);
6. ​    rcu_read_acquire();
7. }

该实现里面貌似有三个函数调用，但实质性的工作由第一个函数__rcu_read_lock()来完成，__rcu_read_lock()通过调用 preempt_disable()关闭内核可抢占性。但是中断是允许的，假设读取者正处于rcu临界区中且刚读取了一个共享数据区的指针p(但是还没有访问p中的数据成员)，发生了一个中断，而该中断处理例程ISR恰好需要修改p所指向的数据区，按照RCU的设计原则，ISR会新分配一个同样大小的数据区new_p，再把老数据区p中的数据拷贝到新数据区，接着是在new_p的基础上做数据修改的工作(因为是在new_p空间中修改，所以不存在对p的并发访问，因此说RCU是一种免锁机制，原因就在这里)，ISR在把数据更新的工作完成后，将new_p赋值给p(p=new_p),最后它会再注册一个回调函数用以在适当的时候释放老指针p。因此，只要对老指针p上的所有引用都结束了，释放p就不会有问题。当中断处理例程做完这些工作返回后，被中断的进程将依然访问到p空间上的数据，也就是老数据，这样的结果是RCU机制所允许的。RCU规则对读取者与写入者之间因指针切换所造成的短暂的资源视图不一致问题是允许的。

接下来关于RCU一个有趣的问题是：何时才能释放老指针。我见过很多书中对此的回答是：当系统中所有处理器上都发生了一次进程切换。这种程式化的回答常常让刚接触RCU机制的读者感到一头雾水，为什么非要等所有处理器上都发生一次进程切换才可以调用回调函数释放老指针呢？这其实是RCU的设计规则决定的： 所有对老指针的引用只可能发生在rcu_read_lock与rcu_read_unlock所包括的临界区中，而在这个临界区中不可能发生进程切换，而一旦出了该临界区就不应该再有任何形式的对老指针p的引用。很明显，这个规则要求读取者在临界区中不能发生进程切换，因为一旦有进程切换，释放老指针的回调函数就有可能被调用，从而导致老指针被释放掉，当被切换掉的进程被重新调度运行时它就有可能引用到一个被释放掉的内存空间。

现在我们看到为什么rcu_read_lock只需要关闭内核可抢占性就可以了，因为它使得即便在临界区中发生了中断，当前进程也不可能被切换除去。 内核开发者，确切地说，RCU的设计者所能做的只能到这个程度。接下来就是使用者的责任了，如果在rcu的临界区中调用了一个函数，该函数可能睡眠，那么RCU的设计规则就遭到了破坏，系统将进入一种不稳定的状态。

这再次说明，如果想使用一个东西，一定要搞清楚其内在的机制，象上面刚提到的那个例子，即便现在程序不出现问题，但是系统中留下的隐患如同一个定时炸弹， 随时可能被引爆，尤其是过了很长时间问题才突然爆发出来。绝大多数情形下，找到问题所花费的时间可能要远远大于静下心来仔细搞懂RCU的原理要多得多。

RCU中的读取者相对rwlock的读取者而言，自由度更高。因为RCU的读取者在访问一个共享资源时，不需要考虑写入者的感受，这不同于rwlock的写入者，rwlock reader在读取共享资源时需要确保没有写入者在操作该资源。两者之间的差异化源自RCU对共享资源在读取者与写入者之间进行了分离，而rwlock的 读取者和写入者则至始至终只使用共享资源的一份拷贝。这也意味着RCU中的写入者要承担更多的责任，而且对同一共享资源进行更新的多个写入者之间必须引入某种互斥机制，所以RCU属于一种”免锁机制”的说法仅限于读取者与写入者之间。所以我们看到：RCU机制应该用在有大量的读取操作，而更新操作相对较少的情形下。此时RCU可以大大提升系统系能，因为RCU的读取操作相对其他一些有锁机制而言，在锁上的开销几乎没有。

实际使用中，共享的资源常常以链表的形式存在，内核为RCU模式下的链表操作实现了几个接口函数，读取者和使用者应该使用这些内核函数，比如 list_add_tail_rcu, list_add_rcu，hlist_replace_rcu等等，具体的使用可以参考某些内核编程或者设备驱动程序方面的资料。

在释放老指针方面，Linux内核提供两种方法供使用者使用，一个是调用call_rcu,另一个是调用synchronize_rcu。前者是一种异步 方式，call_rcu会将释放老指针的回调函数放入一个结点中，然后将该结点加入到当前正在运行call_rcu的处理器的本地链表中，在时钟中断的 softirq部分（RCU_SOFTIRQ）， rcu软中断处理函数rcu_process_callbacks会检查当前处理器是否经历了一个休眠期(quiescent，此处涉及内核进程调度等方面的内容)，rcu的内核代码实现在确定系统中所有的处理器都经历过了一个休眠期之后(意味着所有处理器上都发生了一次进程切换，因此老指针此时可以被安全释放掉了)，将调用call_rcu提供的回调函数。
synchronize_rcu的实现则利用了等待队列，在它的实现过程中也会向call_rcu那样向当前处理器的本地链表中加入一个结点，与 call_rcu不同之处在于该结点中的回调函数是wakeme_after_rcu，然后synchronize_rcu将在一个等待队列中睡眠，直到系统中所有处理器都发生了一次进程切换，因而wakeme_after_rcu被rcu_process_callbacks所调用以唤醒睡眠的 synchronize_rcu，被唤醒之后，synchronize_rcu知道它现在可以释放老指针了。

所以我们看到，call_rcu返回后其注册的回调函数可能还没被调用，因而也就意味着老指针还未被释放，而synchronize_rcu返回后老指针肯定被释放了。所以，是调用call_rcu还是synchronize_rcu，要视特定需求与当前上下文而定，比如中断处理的上下文肯定不能使用 synchronize_rcu函数了。

本文介绍了RCU这个Linux内核中的高效同步机制，它是一种基于发布-订阅模式的同步机制。我们从原理方面分析了RCU的基本思想、关键接口和实现细节，并且给出了相应的代码示例。我们还从应用方面介绍了RCU在链表操作、定时器管理、软中断处理等场景中的使用方法，并且给出了相应的代码示例。通过本文的学习，我们可以掌握RCU的基本用法，并且能够在实际开发中灵活地运用RCU来实现高效的同步需求。希望本文对你有所帮助！

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