概述

RCU是Read-Copy-Update的縮寫。於linux2.5版本開發期間加入並順利被社群接納。現在廣泛應用於指標及核心連結串列的保護。RCU相對其它併發訪問保護的鎖，具體更好的效能，因為嚴格意義上來說，RCU並不是一個鎖。但RCU對記憶體是有一定的開銷的。

為何需要RCU

• 效能問題，無需獲得鎖，效能更好。
• 讀寫執行緒可併發執行。

RCU使用介面

rcu_read_lock() //RCU讀臨界區開始
rcu_read_unlock() //RCU讀臨界區結束
synchronize_rcu() //同步等待所有現存讀訪問完成
call_rcu() //註冊一個回撥函式，等所有讀訪問完成後，呼叫回撥函式摧毀舊資料
 

rcu_assign_pointer() //釋出更新後的資料
rcu_dereference() //獲取RCU保護和指標

RCU使用條件

• 對共享資料訪問大多是隻讀，寫訪問相對很少（如檔案系統中查詢目錄，但修改目錄相對較少）
• RCU保護的程式碼範圍內不能睡眠
• 受保護的資源必須通過指標訪問
  －讀者對新舊資料不是非常敏感

RCU使用範例

我們從一個例子入手，這個例子來源於linux kernel文件中的whatisRCU.txt。這個例子使用RCU的核心API來保護一個指向動態分配記憶體的全域性指標。

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

DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
struct foo *gbl_foo;

//寫執行緒
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);//RCU本身不能保護寫的併發，用spinlock保護
    old_fp = gbl_foo;
    *new_fp = *old_fp;
    new_fp->a = new_a;
    rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp); //釋出新資料
 

    spin_unlock(&foo_mutex);
    synchronize_rcu(); //同步等待讀完成後摧毀舊資料
    kfree(old_fp);
}
//讀執行緒
int foo_get_a(void)
{
    int retval;
    rcu_read_lock(); //RCU讀開始
    retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a; //獲取保護的指標
    rcu_read_unlock(); //RCU讀結束
    return retval;
 }

RCU實現原理

RCU機制記錄了指向共享資料結構的指標的所有使用者，在該結構將要改變時，首先建立一個副本，在副本中修改。在所有讀訪問使用者結束對舊副本的讀取後，指標可以替換為指向新的修改過的副本，然後將舊資料摧毀。

RCU實現分析

寬限期（Grace Period）

通常把寫者開始更新，到所有讀者完成訪問這段時間叫做寬限期（Grace Period）。核心中實現寬限期等待的函式是synchronize_rcu。

如何判斷渡過了寬限期？
我們先看一下讀的鎖標誌：

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

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

這時是否度過寬限期的判斷就比較簡單：每個CPU都經過一次搶佔。因為發生搶佔，就說明不在rcu_read_lock和rcu_read_unlock之間，必然已經完成訪問或者還未開始訪問。

靜態期（synchronize_rcu）

kernel把這個完成搶佔的狀態稱為quiescent state。每個CPU在時鐘中斷的處理函式中，都會判斷當前CPU是否度過quiescent state。

void update_process_times(int user_tick)
{
......
    rcu_check_callbacks(cpu, user_tick);
......
}

void rcu_check_callbacks(int cpu, int user)
{
......
    if (user || rcu_is_cpu_rrupt_from_idle()) {
        /*在使用者態上下文，或者idle上下文，說明已經發生過搶佔*/
        rcu_sched_qs(cpu);
        rcu_bh_qs(cpu);
    } else if (!in_softirq()) {
        /*僅僅針對使用rcu_read_lock_bh型別的rcu，不在softirq，
         *說明已經不在read_lock關鍵區域*/
        rcu_bh_qs(cpu);
    }
    rcu_preempt_check_callbacks(cpu);
    if (rcu_pending(cpu))
        invoke_rcu_core();
......
}

經典RCU與Tree RCU

linux2.6.29之前的RCU通常被稱為經典RCU（classic RCU）.經典RCU在大型系統中遇到了效能問題，後來由Tree RCU解決對應的效能問題。目前的核心大多使用Tree RCU.

Tree RCU採用樹狀結構：

核心中RCU相關連結串列操作

為了操作連結串列，在include/linux/rculist.h有一套專門的RCU API。如：list_entry_rcu、list_add_rcu、list_del_rcu、list_for_each_entry_rcu等。即對所有kernel 的list的操作都有一個對應的RCU操作。其將指標的獲取替換為使用rcu_dereference。
rculist.h (include\linux)

list_entry_rcu()
list_add_rcu()
list_add_tail_rcu()