RCU 机制简介

什么是RCU?是Read,Copy-Update的缩写,意指读-复制更新。是一种同步机制。其将同步开销的非对称分布发挥到逻辑极限,

RCU 基本概念

  • 读侧临界区 (read-side critical sections): RCU读者执行的区域,每一个临界区开始于rcu_read_lock(),结束于rcu_read_unlock(),可能包含rcu_dereference()等访问RCU保护的数据结构的函数。这些指针函数实现了依赖顺序加载的概念,称为memory_order_consume加载。
  • 写侧临界区:为适应读侧临界区,写侧推迟销毁并维护多个版本的数据结构,有大量的同步开销。此外,编写者必须使用某种同步机制(例如锁定)来提供有序的更新

  • 静默态(quiescent state): 当一个线程没有运行在读侧临界区时,其就处在静默状态。持续相当长一段时间的静默状态称之为延长的静默态(extended quiescent state)。

  • 宽限期(Grace period): 宽限期是指所有线程都至少A一次进入静默态的时间。宽限期前所有在读侧临界区的读者在宽限区后都会结束。不同的宽限期可能有部分或全部重叠。

读者在读临界区遍历RCU数据。如果写者从此数据中移除一个元素,需要等待一个宽限期后才能执行回收内存操作。上述操作的示意图如下图所示,其中,标有read的框框为一个读临界区。

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上图中,每一个读者、更新者表示一个独立的线程,总共4个读线程,一个写线程。
RCU更新操作分为两个阶段:移除阶段回收阶段。两个阶段通过宽限期隔开。更新者在移除元素后,通过synchronize_rcu()原语,初始化一个宽限期,并等待宽限期结束后,回收移除的元素。
1. 移除阶段:RCU更新通过rcu_assign_pointer()等函数移除或插入元素。现代CPU的指针操作都是原子的,
rcu_assign_pointer()原语在大多数系统上编译为一个简单的指针赋值操作。移除的元素仅可被移除阶段(以灰色显示)前的读者访问。
2. 回收阶段:一个宽限期后, 宽限期开始前的原有读者都完成读操作,因此,此阶段可安全释放由删除阶段删除的元素。

一个宽限期可以用于多个删除阶段,即可由多个更新程序执行更新。
此外,跟踪RCU宽限期的开销可能会均摊到现有流程调度上,因此开销较小。对于某些常见的工作负载,宽限期跟踪开销可以被多个RCU更新操作均摊,从而使每个RCU更新的平均开销接近零。

临界区指的是一个访问共用资源(例如:共用设备或是共用存储器)的程序片段,而这些共用资源又无法同时被多个线程访问的特性。当有线程进入临界区段时,其他线程或是进程必须等待(例如:bounded waiting 等待法),有一些同步的机制必须在临界区段的进入点与离开点实现,以确保这些共用资源是被互斥获得使用,例如:semaphore。只能被单一线程访问的设备,例如:打印机。

读者提供一个信号告诉写者什么时候可以安全执行销毁操作,但是这个信号可能是被延时的,允许多个读侧临界区使用一个信号。RCU通常通过一个非原子地增加本地计数器告诉写者,这种操作开销非常小。另外,RCU中没有指定写者是否并行。

RCU 的关键思想有两个:1)复制后更新;2)延迟回收内存。典型的RCU更新时序如下:

  • 复制:将需要更新的数据复制到新内存地址;
  • 更新:更新复制数据,这时候操作的新的内存地址;
  • 替换:使用新内存地址指针替换旧数据内存地址指针,此后旧数据将无法被后续读者访问;
  • 等待,所有访问旧数据的读者进入静默期,即访问旧数据完成;
  • 回收:当没有任何持有旧数据结构引用的读者后,安全地回收旧数据内存。

可见,RCU 首先将需要修改的内容复制出一份副本,然后在副本上进行修改操作。在写者进行修改操作的过程中,旧数据没有做任何更新,不会产生读写竞争,因此依然可以被读者并行访问。当写者修改完成后,写者直接将新数据内存地址替换掉旧数据的内存地址,由于内存地址替换操作是原子的,因此可以保证读写不会产生冲突。内存地址替换后,原有读者访问旧数据,新的读者将访问新数据。当原有读者访问完旧数据,进入静默期后,旧数据将被写者删除回收。当然,通常写者只进行更新、删除指针操作,旧数据内存的回收由另一个线程完成。

下面,以双向链表为例,说明使用 RCU 更新链表中的数据的过程,如下图所示:

  • 复制更新:复制旧数据到新数据,并在新数据进行修改操作;
  • 替换,延时回收:将新数据替换掉链表中的旧数据,当无读者访问旧数据时,就行内存回收。

使用RCU注意如下事项:

  • RCU适用多读少写场景。RCU和读写锁相似.但RCU的读者占锁没有任何的系统开销。写者与写者之间必须要保持同步,且写者必须要等它之前的读者全部都退出之后才能释放之前的资源。
  • RCU保护的是指针.这一点尤其重要.因为指针赋值是一条单指令.也就是说是一个原子操作.因它更改指针指向没必要考虑它的同步.只需要考虑cache的影响;
  • 读者是嵌套。也就是说rcu_read_lock()可以嵌套调用;
  • 读者在持有rcu_read_lock()的时候,不能发生进程上下文切换.否则,因为写者需要要等待读者完成,写者进程也会一直被阻塞.
  • 因为在非抢占场景中上下文切换不能发生在RCU的读侧临界区,所以已阻塞的任何线程必须在RCU读侧临界区之前完成。
  • 任何没有跑在RCU读侧临界区的线程不能持有任何RCU受保护的引用
  • 阻塞的线程不能持有受保护的RCU数据结构
  • 线程不能引用已经删除的的受保护的RCU数据结构
  • 阻塞的线程在受保护的RCU指针被移除后,不能再引用
  • 从RCU保护的数据结构中删除给定元素后,一旦观察到所有线程处于阻塞状态,则RCU读侧临界区中的任何线程都无法持有该元素的引用

核心API

核心的RCU API非常的少,如下:

rcu_read_lock()
rcu_read_unlock()
synchronize_rcu()/call_rcu()
rcu_assign_pointer()
rcu_dereference()

RCU API还有许多其他成员,但是其余的可以用这五种来表示。

rcu_read_lock()

void rcu_read_lock(void);

读者读取受RCU保护的数据结构时使用,通知回收者读者进入了RCU的读端临界区。在RCU读端临界区访问的任何受RCU保护的数据结构都会保证在临界区期间保持未回收状态。另外,引用计数可以与RCU一起使用,以维护对数据结构的长期引用。在RCU读侧临界区阻塞是非法的。在Linux普通的TREE RCU实现中,rcu_read_lock的实现非常简单,是关闭抢占:

static inline void __rcu_read_lock(void)
{
    preempt_disable();
}

rcu_read_unlock()

void rcu_read_unlock(void);

读者结束读取后使用,用于通知回收者其退出了读端临界区。RCU的读端临界区可能被嵌套或重叠。Linux普通的TREE RCU实现中,rcu_read_unlock 的实现是开发抢占。

static inline void __rcu_read_unlock(void)
{
    preempt_enable();
}

synchronize_rcu()

void synchronize_rcu(void);

synchronize_rcu 函数的关键思想是等待。确保读者完成对旧结构体的操作后释放旧结构体。synchronize_rcu 的调用点标志着“更新者代码的结束”和“回收者代码的开始”。它通过阻塞来做到这一点,直到所有cpu上所有预先存在的RCU读端临界区都完成。

需要注意的是,synchronize_rcu()只需要等待调用它之前的读端临界区完成,不需要等待调用它之后开始的读取者完成。另外,synchronize_rcu()不一定在最后一个预先存在的RCU读端临界区完成之后立即返回。具体实现中可能会有延时调度。同时,为了提高效率,许多RCU实现请求批量处理,这可能会进一步延迟 synchronize_rcu() 的返回。

call_rcu()

call_rcu() API是syncnize_rcu()的回调形式,它注册而不是阻塞,而是注册一个函数和自变量,这些函数和自变量在所有正在进行的RCU读取侧关键部分均已完成之后被调用。 在禁止非法访问或更新端性能要求比较高时,此回调变体特别有用。

但是,不应轻易使用call_rcu() API,因为对syncnize_rcu() API的使用通常会使代码更简单。
此外,synchronize_rcu() API具有不错的属性,可以在宽限期被延迟时自动限制更新速率。
面对拒绝服务攻击,此属性导致系统具有弹性。 使用call_rcu()的代码应限制更新速率,以获得相同的弹性。 有关限制更新速率的一些方法,请参见checklist.txt。

在上面的例子中,foo_update_a()阻塞直到一个宽限期结束。这很简单,但在某些情况下,人们不能等这么久——可能还有其他高优先级的工作要做。
在这种情况下,使用call_rcu()而不是synchronize_rcu()call_rcu() API如下:

void call_rcu(struct rcu_head * head, void (*func)(struct rcu_head *head));

此函数在宽限期过后调用func(heda)。此调用可能发生在softirq或进程上下文中,因此不允许阻止该函数。foo结构需要添加一个rcu-head结构,可能如下所示:

struct foo {
    int a;
    char b; 
    long c;
    struct rcu_head rcu; 
 };

foo_update_a()函数示例如下:

/*
* Create a new struct foo that is the same as the one currently
* * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced 
* * with "new_a". Points gbl_foo to the new structure, and 
* * frees up the old structure after a grace period. *
* Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers 
* * see the initialized version of the new structure.
* * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
* * references to the old structure complete before freeing the * old structure.
* */
void foo_update_a(int new_a) {
    struct foo *new_fp; 
    struct foo *old_fp;
    new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL); 
    spin_lock(&foo_mutex);
    old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex)); 
    *new_fp = *old_fp; 
    new_fp->a = new_a;
    rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp); 
    spin_unlock(&foo_mutex);
    call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim); 
} 

// The foo_reclaim() function might appear as follows:
void foo_reclaim(struct rcu_head *rp) {
    struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu); 
    foo_cleanup(fp->a); 
    kfree(fp);
}

container_of() 原语是一个宏,给定指向结构的指针,结构的类型以及结构内的指向字段,该宏将返回指向结构开头的指针。

使用 call_rcu() 可使 foo_update_a() 的调用方立即重新获得控制权,而不必担心新近更新的元素的旧版本。 它还清楚地显示了更新程序 foo_update_a()和回收程序 foo_reclai() 之间的RCU区别。

总结:

  • 在从受RCU保护的数据结构中删除数据元素之后,请使用call_rcu()-以注册一个回调函数,该函数将在所有可能引用该数据项的RCU读取侧完成后调用。
  • 如果call_rcu()的回调除了在结构上调用kfree()之外没有做其他事情,则可以使用kfree_rcu()代替call_rcu()来避免编写自己的回调:kfree_rcu(old_fp,rcu)

rcu_assign_pointer()

原型: void rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);

rcu_assign_pointer()通过宏实现。将新指针赋给RCU结构体,赋值前的读者看到的还是旧的指针。

更新者使用这个函数为受rcu保护的指针分配一个新值,以便安全地将更新的值更改传递给读者。
此宏不计算rvalue,但它执行某CPU体系结构所需的内存屏障指令。保证内存屏障前的指令一定会先于内存屏障后的指令被执行。

它用于记录(1)哪些指针受RCU保护以及(2)给定结构可供其他CPU访问的点。
rcu_assign_pointer()最常通过_rcu列表操作原语(例如list_add_rcu())间接使用。

rcu_dereference()

原型: typeof(p) rcu_dereference(p);

rcu_assign_pointer()类似,rcu_dereference()也必须通过宏实现

读者通过rcu_dereference()获取受保护的RCU指针,该指针返回一个可以安全解除引用的值
请注意,rcu_dereference()实际上并未取消对指针的引用,相反,它保护指针供以后取消引用
它还针对给定的CPU体系结构执行任何所需的内存屏障指令。 当前,只有Alpha CPU架构才需要rcu_dereference()中的内存屏障-在其他CPU上,它编译为无内容,甚至编译器指令也没有。

常见的编码实践是使用rcu_dereference() 将一个受rcu保护的指针复制到一个局部变量,然后解引用这个局部变量,例如:

    p = rcu_dereference(head.next);
    return p->data;

然而,上述情况可以整合成如下一句:

    return rcu_dereference(head.next)->data;

如果您要从受rcu保护的结构中获取多个字段,那么使用局部变量当然是首选的。重复的rcu_dereference()调用看起来很糟糕,不能保证在关键部分发生更新时返回相同的指针,并且会在Alpha cpu上产生不必要的开销。

注意rcu_dereference()返回的值仅在封闭的RCU读端临界区[1]内有效
例如,以下内容是不合法的:

    rcu_read_lock();
    p = rcu_dereference(head.next);
    rcu_read_unlock();
    x = p->address;  /* BUG!!! */
    rcu_read_lock();
    y = p->data;  /* BUG!!! */
    rcu_read_unlock();

将一个RCU读临界区获得的引用保留到另一个是非法的;同事,将一个锁定的临界区的引用放在另一个中使用也是非法的。

rcu_assign_pointer()一样,rcu_dereference()的重要功能是记录哪些指针受RCU保护,尤其是标记一个随时可能更改的指针,包括紧随rcu_dereference()之后。
通常通过_rcu列表操作基元(例如list_for_each_entry_rcu())间接使用rcu_dereference()

变量rcu_dereference_protected()可以在RCU读取临界区外使用,只要使用情况受到更新者代码获取的锁的保护即可。

下图展示了不同角色之间的通信。

        rcu_assign_pointer()
                                +--------+
        +---------------------->| 读者   |---------+
        |                       +--------+         |
        |                           |              |
        |                           |              | Protect:
        |                           |              | rcu_read_lock()
        |                           |              | rcu_read_unlock()
        |        rcu_dereference()  |              |
        +---------+                 |              |
        | 更新者  |<----------------+              |
        +---------+                                V
        |                                    +-----------+
        +----------------------------------->| 回收者    |
                                             +-----------+
          推迟、等待:
          synchronize_rcu() & call_rcu()

RCU基础结构会观察rcu_read_lock(),rcu_read_unlock(),synchronize_rcu() 和call_rcu() 调用的时间顺序,以确定何时(1)syncnize_rcu()调用何时可以返回,以及(2)call_rcu() 回调可以被调用。
RCU基础结构的有效实现大量使用批处理,以便在相应API的许多使用上分摊其开销。

在Linux内核中至少有三种RCU用法。上图显示了最常见的一种。在更新端,rcu_assign_pointer()、sychronize_rcu()和call_rcu()这三种基本类型使用的原语是相同的。但是为了保护(在读端),使用的原语根据不同的口味而有所不同:

a.
rcu_read_lock() / rcu_read_unlock() 
rcu_dereference()

b.
rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh() 
local_bh_disable() / local_bh_enable() 
rcu_dereference_bh()

c.
rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched() 
preempt_disable() / preempt_enable() 
local_irq_save() / local_irq_restore()
hardirq enter / hardirq exit 
NMI enter / NMI exit 
rcu_dereference_sched()

上述三种类型的使用方法如下:

  • a. RCU应用于普通的数据结构。
  • b. RCU应用于可能遭受远程拒绝服务攻击的网络数据结构。
  • c. RCU应用于调度器和中断/ nmi处理器任务。

同样,大多数用途是(a)。 (b)和(c)情况对于专门用途很重要,但相对较少见。

核心API使用示例

本节展示如何简单使用核心RCU API来保护指向动态分配结构的全局指针。
更多的典型用法在 listRCU.txt , arrayRCU.txt , NMI-RCU.txt中被使用。

struct foo {
    int a;
    char b;
    long c;
};

DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex); // 定义spin锁

struct foo __rcu *gbl_foo;  // 声明一个受保护的指针

/*
 * Create a new struct foo that is the same as the one currently 
 * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced 
 * with "new_a". Points gbl_foo to the new structure, and 
 * frees up the old structure after a grace period. 
 * 
 * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers 
 * see the initialized version of the new structure. 
 * 
 * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
 * have references to the old structure complete before freeing 
 * the old structure. 
 */
void foo_update_a(int new_a) 
{
    struct foo *new_fp; 
    struct foo *old_fp;
    new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
    spin_lock(&foo_mutex);  // 更新操作上锁
    old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex)); 
    *new_fp = *old_fp; 
    new_fp->a = new_a;
    rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);  // 确保并行的读者看到新结构的旧版本
    spin_unlock(&foo_mutex); 
    synchronize_rcu();  // 确保所有引用旧的数据结构的读者在释放旧数据结构之前都已经完成操作,退出了临界区
    kfree(old_fp);
} 

/*
 * Return the value of field "a" of the current gbl_foo 
 * structure. Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() 
 * to ensure that the structure does not get deleted out 
 * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that 
 * we see the initialized version of the structure (important 
 * for DEC Alpha and for people reading the code).
 */
int foo_get_a(void) {
    int retval; 
    rcu_read_lock();
    retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a; 
    rcu_read_unlock(); 
    return retval;
}

总结如下:

  • 使用 rcu_read_lock()rcu_read_unlock() 保证其处于读端临界区;
  • 在读端临界区内,使用 rcu_dereference() 解引用受RCU保护的指针
  • 使用一些可靠的方案保证并行更新操作不会互相干扰,如锁或者向量
  • 使用rcu_assign_pointer()更新受rcu保护的指针。这个原语保护并发读不受更新操作(而不是并发更新)的影响!但是,仍然需要使用锁(或类似的东西)来防止并发rcu_assign_pointer()原语相互干扰。
  • 使用synchronize_rcu() 在从受RCU保护的数据结构中删除一个数据元素之后,但是在回收/释放数据元素之前,为了等待所有可能正在引用那个数据项的RCU读端临界区完成。

FAQs

rcu_dereference() vs rcu_dereference_protected()?

简而言之:

  • rcu_dereference()应该在阅读方使用,受rcu_read_lock()保护。
  • rcu_dereference_protected()应该由单个写者在在写入侧(更新侧)使用,或者由锁定保护,这会阻止多个写入器同时修改解除引用的指针.在这种情况下,指针不能在当前线程之外进行修改,因此既不需要编译器也不需要cpu-barrier.

使用rcu_dereference总是安全的,并且其性能损失(与之相比rcu_dereference_protected)很低.

精确描述了rcu_dereference_protected在内核4.6:

/**
 * rcu_dereference_protected() - fetch RCU pointer when updates prevented
 * @p: The pointer to read, prior to dereferencing
 * @c: The conditions under which the dereference will take place
 *
 * Return the value of the specified RCU-protected pointer, but omit
 * both the smp_read_barrier_depends() and the READ_ONCE().  This
 * is useful in cases where update-side locks prevent the value of the
 * pointer from changing.  Please note that this primitive does -not-
 * prevent the compiler from repeating this reference or combining it
 * with other references, so it should not be used without protection
 * of appropriate locks.
 *
 * This function is only for update-side use.  Using this function
 * when protected only by rcu_read_lock() will result in infrequent
 * but very ugly failures.
 */

参考

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