Linux RCU机制详解

Linux RCU机制详解 一:前言 RCU机制出现的比较早,只是在linux kernel中一直到2.5版本的时候才被采用.关于RCU机制,这里就不做过多的介绍了,网上有很多有关RCU介绍和使用的文档.请自行查阅.本文主要是从linux kernel源代码的角度.来分析RCU的实现. 在讨论RCU的实现之前.有必要重申以下几点: 1:RCU使用在读者多而写者少的情况.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. 2: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. 3:读者是可以嵌套的.也就是说rcu_read_lock()可以嵌套调用. 4: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. 以下的代码是基于linux kernel 2.6.26 。。。 ### Linux RCU机制详解 #### 一、前言 RCU（Read-Copy-Update）是一种用于并发控制的机制，在Linux内核中被广泛应用。它主要用于处理读多写少的场景，通过允许读操作无锁地进行，从而极大提高了系统的性能。RCU机制在Linux内核2.5版本中被正式引入，它对于提高多处理器系统下的并发性能有着重要作用。 在深入了解RCU之前，我们需要明确以下几个关键点： 1. **应用场景**：RCU最适合于读者多而写者少的场景。与传统的读写锁不同，RCU在读者端几乎不消耗任何系统资源，这意味着读者在访问数据时不需要获取锁，因此没有锁的竞争开销。但是写者在更新数据时必须等待所有先前的读者完成，然后才能更新数据。 2. **保护对象**：RCU主要保护的是指针类型的变量。由于指针的赋值通常是一个原子操作，因此在修改指针时无需额外的同步措施，只需要考虑缓存一致性的问题。 3. **嵌套读取**：RCU支持嵌套读取，即可以在一个`rcu_read_lock()`的临界区内再次调用`rcu_read_lock()`。这种机制使得RCU更适用于复杂的读操作场景。 4. **禁止上下文切换**：在读者持有`rcu_read_lock()`期间，不允许发生进程上下文切换。这是因为如果发生了上下文切换，那么写者可能会认为所有的读者已经完成并释放了资源，导致写者进程被阻塞。 #### 二、RCU实例解析 为了更好地理解RCU的使用，我们可以参考一个具体的示例代码。下面是一个简化的例子，展示了如何使用RCU来更新和读取全局指针`struct foo *gbl_foo`： ```c struct foo { int a; char b; long c; }; DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex); struct foo *gbl_foo; 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 = gbl_foo; *new_fp = *old_fp; new_fp->a = new_a; rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp); spin_unlock(&foo_mutex); synchronize_rcu(); kfree(old_fp); } int foo_get_a(void) { int retval; rcu_read_lock(); retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a; rcu_read_unlock(); return retval; } ``` 在这个例子中，`foo_update_a`函数负责更新`gbl_foo`的值，而`foo_get_a`函数则负责获取`gbl_foo`中的值。 - **foo_update_a**：这个函数首先创建了一个新的`struct foo`实例，并将旧的值复制过去，然后只更新`a`字段。接着使用`rcu_assign_pointer`来更新`gbl_foo`的值。这里还使用了一个自旋锁`foo_mutex`来防止在复制旧值到新实例的过程中发生并发修改。 - **foo_get_a**：这个函数通过`rcu_dereference`获取`gbl_foo`的当前值，并读取`a`字段。 #### 三、RCU核心API分析 接下来我们来看看几个核心的RCU API及其功能： - **rcu_read_lock** 和 **rcu_read_unlock**：这两个函数用来标记读取临界区的开始和结束。在临界区内，不允许发生上下文切换。 - **rcu_dereference**：读者通过调用此函数来获取被RCU保护的指针。这通常用于读取指针指向的数据。 - **rcu_assign_pointer**：写者使用此函数来为被RCU保护的指针分配一个新值。这使得写者可以安全地将新值传递给读者。 - **synchronize_rcu**：这个函数用于确保所有使用`rcu_read_lock`的读者都已经完成了读取操作，之后写者才能继续进行更新操作。 这些API的内部实现非常复杂，涉及到了复杂的缓存一致性问题以及处理器特定的细节。例如，`rcu_read_lock`和`rcu_read_unlock`通常涉及到CPU架构级别的屏障指令来确保内存访问的一致性。 RCU机制为Linux内核提供了一种高效处理读多写少场景的方法，大大提高了系统的并发性能。对于开发者来说，掌握RCU的工作原理和使用方法是非常重要的。