【原创】Linux RCU原理剖析（一）-初窥门径

  • 2020 年 4 月 11 日
  • 笔记

背景

  • Read the fucking source code! –By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

说明：

  1. Kernel版本：4.14
  2. ARM64处理器，Contex-A53，双核
  3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

RCU, Read-Copy-Update，是Linux内核中的一种同步机制。
RCU常被描述为读写锁的替代品，它的特点是读者并不需要直接与写者进行同步，读者与写者也能并发的执行。RCU的目标就是最大程度来减少读者侧的开销，因此也常用于对读者性能要求高的场景。

  • 优点：

    1. 读者侧开销很少、不需要获取任何锁，不需要执行原子指令或者内存屏障；
    2. 没有死锁问题；
    3. 没有优先级反转的问题；
    4. 没有内存泄露的危险问题；
    5. 很好的实时延迟；

  • 缺点：

    1. 写者的同步开销比较大，写者之间需要互斥处理；
    2. 使用上比其他同步机制复杂；

来一张图片来描述下大体的操作吧：

  • 多个读者可以并发访问临界资源，同时使用rcu_read_lock/rcu_read_unlock来标定临界区；
  • 写者(updater)在更新临界资源的时候，拷贝一份副本作为基础进行修改，当所有读者离开临界区后，把指向旧临界资源的指针指向更新后的副本，并对旧资源进行回收处理；
  • 图中只显示一个写者，当存在多个写者的时候，需要在写者之间进行互斥处理；

上述的描述比较简单，RCU的实现很复杂。本文先对RCU来一个初印象，并结合接口进行实例分析，后续文章再逐层深入到背后的实现原理。开始吧！

2. RCU基础

2.1 RCU基本要素

RCU的基本思想是将更新Update操作分为两个部分：1）Removal移除；2）Reclamation回收。
直白点来理解就是，临界资源被多个读者读取，写者在拷贝副本修改后进行更新时，第一步需要先把旧的临界资源数据移除（修改指针指向），第二步需要把旧的数据进行回收（比如kfree）。

因此，从功能上分为以下三个基本的要素：Reader/Updater/Reclaimer，三者之间的交互如下图：

  1. Reader

    • 使用rcu_read_lock和rcu_read_unlock来界定读者的临界区，访问受RCU保护的数据时，需要始终在该临界区域内访问；
    • 在访问受保护的数据之前，需要使用rcu_dereference来获取RCU-protected指针；
    • 当使用不可抢占的RCU时，rcu_read_lock/rcu_read_unlock之间不能使用可以睡眠的代码；

  2. Updater

    • 多个Updater更新数据时，需要使用互斥机制进行保护；
    • Updater使用rcu_assign_pointer来移除旧的指针指向，指向更新后的临界资源；
    • Updater使用synchronize_rcu或call_rcu来启动Reclaimer，对旧的临界资源进行回收，其中synchronize_rcu表示同步等待回收，call_rcu表示异步回收；

  3. Reclaimer

    • Reclaimer回收的是旧的临界资源；
    • 为了确保没有读者正在访问要回收的临界资源，Reclaimer需要等待所有的读者退出临界区，这个等待的时间叫做宽限期（Grace Period）；

2.2 RCU三个基本机制

用来提供上述描述的功能，RCU基于三种机制来实现。

2.2.1 Publish-Subscribe Mechanism

订阅机制是个什么概念，来张图：

  • Updater与Reader类似于Publisher和Subsriber的关系；
  • Updater更新内容后调用接口进行发布，Reader调用接口读取发布内容；

那么这种订阅机制，需要做点什么来保证呢？来看一段伪代码：

 /* Definiton of global structure */   1 struct foo {    2   int a;    3   int b;    4   int c;    5 };    6 struct foo *gp = NULL;    7    8 /* . . . */    9 /* =========Updater======== */   10 p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);   11 p->a = 1;   12 p->b = 2;   13 p->c = 3;   14 gp = p;   15   16 /* =========Reader======== */   17 p = gp;   18 if (p != NULL) {   19   do_something_with(p->a, p->b, p->c);   20 }

乍一看似乎问题不大，Updater进行赋值更新，Reader进行读取和其他处理。然而，由于存在编译乱序和执行乱序的问题，上述代码的执行顺序不见得就是代码的顺序，比如在某些架构（DEC Alpha）中，读者的操作部分，可能在p赋值之前就操作了do_something_with()。

为了解决这个问题，Linux提供了rcu_assign_pointer/rcu_dereference宏来确保执行顺序，Linux内核也基于rcu_assign_pointer/rcu_dereference宏进行了更高层的封装，比如list, hlist，因此，在内核中有三种被RCU保护的场景：1）指针；2）list链表；3）hlist哈希链表。

针对这三种场景，Publish-Subscribe接口如下表：

2.2.2 Wait For Pre-Existing RCU Readers to Complete

Reclaimer需要对旧的临界资源进行回收，那么问题来了，什么时候进行呢？因此RCU需要提供一种机制来确保之前的RCU读者全部都已经完成，也就是退出了rcu_read_lock/rcu_read_unlock标定的临界区后，才能进行回收处理。

  • 图中Readers和Updater并发执行；
  • 当Updater执行Removal操作后，调用synchronize_rcu，标志着更新结束并开始进入回收阶段；
  • 在synchronize_rcu调用后，此时可能还有新的读者来读取临界资源(更新后的内容)，但是，Grace Period只等待Pre-Existing的读者，也就是在图中的Reader-4, Reader-5。只要这些之前就存在的RCU读者退出临界区后，意味着宽限期的结束，因此就进行回收处理工作了；
  • synchronize_rcu并不是在最后一个Pre-ExistingRCU读者离开临界区后立马就返回，它可能存在一个调度延迟；

2.2.3 Maintain Multiple Versions of Recently Updated Objects

从2.2.2节可以看出，在Updater进行更新后，在Reclaimer进行回收之前，是会存在新旧两个版本的临界资源的，只有在synchronize_rcu返回后，Reclaimer对旧的临界资源进行回收，最后剩下一个版本。显然，在有多个Updater时，临界资源的版本会更多。

还是来张图吧，分别以指针和链表为例：

  • 调用synchronize_rcu开始为临界点，分别维护不同版本的临界资源；
  • 等到Reclaimer回收旧版本资源后，最终归一统；

3. RCU示例分析

是时候来一波fucking sample code了。

  • 整体的代码逻辑：
    1. 构造四个内核线程，两个内核线程测试指针的RCU保护操作，两个内核线程用于测试链表的RCU保护操作；
    2. 在回收的时候，分别用了synchronize_rcu同步回收和call_rcu异步回收两种机制；
    3. 为了简化代码，基本的容错判断都已经省略了；
    4. 没有考虑多个Updater的机制，因此，也省略掉了Updater之间的互斥操作；
#include <linux/module.h>  #include <linux/init.h>  #include <linux/slab.h>  #include <linux/kthread.h>  #include <linux/rcupdate.h>  #include <linux/delay.h>    struct foo {  	int a;  	int b;  	int c;  	struct rcu_head rcu;  	struct list_head list;  };    static struct foo *g_pfoo = NULL;    LIST_HEAD(g_rcu_list);    struct task_struct *rcu_reader_t;  struct task_struct *rcu_updater_t;  struct task_struct *rcu_reader_list_t;  struct task_struct *rcu_updater_list_t;    /* 指针的Reader操作 */  static int rcu_reader(void *data)  {  	struct foo *p = NULL;  	int cnt = 100;    	while (cnt--) {  		msleep(100);  		rcu_read_lock();  		p = rcu_dereference(g_pfoo);  		pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %dn",  				__func__, p->a, p->b, p->c);  		rcu_read_unlock();  	}    	return 0;  }    /*  回收处理操作 */  static void rcu_reclaimer(struct rcu_head *rh)  {  	struct foo *p = container_of(rh, struct foo, rcu);  	pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %dn",  			__func__, p->a, p->b, p->c);  	kfree(p);  }    /* 指针的Updater操作 */  static int rcu_updater(void *data)  {  	int value = 1;  	int cnt = 100;    	while (cnt--) {  		struct foo *old;  		struct foo *new = (struct foo *)kzalloc(sizeof(struct foo), GFP_KERNEL);    		msleep(200);    		old = g_pfoo;    		*new = *g_pfoo;  		new->a = value;  		new->b = value + 1;  		new->c = value + 2;  		rcu_assign_pointer(g_pfoo, new);    		pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %dn",  				__func__, new->a, new->b, new->c);    		call_rcu(&old->rcu, rcu_reclaimer);    		value++;  	}    	return 0;  }    /* 链表的Reader操作 */  static int rcu_reader_list(void *data)  {  	struct foo *p = NULL;  	int cnt = 100;    	while (cnt--) {  		msleep(100);  		rcu_read_lock();  		list_for_each_entry_rcu(p, &g_rcu_list, list) {  			pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %dn",  					__func__, p->a, p->b, p->c);  		}  		rcu_read_unlock();  	}    	return 0;  }    /* 链表的Updater操作 */  static int rcu_updater_list(void *data)  {  	int cnt = 100;  	int value = 1000;    	while (cnt--) {  		msleep(100);  		struct foo *p = list_first_or_null_rcu(&g_rcu_list, struct foo, list);  		struct foo *q = (struct foo *)kzalloc(sizeof(struct foo), GFP_KERNEL);    		*q = *p;  		q->a = value;  		q->b = value + 1;  		q->c = value + 2;    		list_replace_rcu(&p->list, &q->list);    		pr_info("%s: a = %d, b = %d, c = %dn",  				__func__, q->a, q->b, q->c);    		synchronize_rcu();  		kfree(p);    		value++;  	}    	return 0;  }    /* module初始化 */  static int rcu_test_init(void)  {  	struct foo *p;    	rcu_reader_t = kthread_run(rcu_reader, NULL, "rcu_reader");  	rcu_updater_t = kthread_run(rcu_updater, NULL, "rcu_updater");  	rcu_reader_list_t = kthread_run(rcu_reader_list, NULL, "rcu_reader_list");  	rcu_updater_list_t = kthread_run(rcu_updater_list, NULL, "rcu_updater_list");    	g_pfoo = (struct foo *)kzalloc(sizeof(struct foo), GFP_KERNEL);    	p = (struct foo *)kzalloc(sizeof(struct foo), GFP_KERNEL);  	list_add_rcu(&p->list, &g_rcu_list);    	return 0;  }    /* module清理工作 */  static void rcu_test_exit(void)  {  	kfree(g_pfoo);  	kfree(list_first_or_null_rcu(&g_rcu_list, struct foo, list));    	kthread_stop(rcu_reader_t);  	kthread_stop(rcu_updater_t);  	kthread_stop(rcu_reader_list_t);  	kthread_stop(rcu_updater_list_t);  }    module_init(rcu_test_init);  module_exit(rcu_test_exit);    MODULE_AUTHOR("Loyen");  MODULE_LICENSE("GPL");

为了证明没有骗人，贴出在开发板上运行的输出log，如下图：

4. API介绍

4.1 核心API

下边的这些接口，不能更核心了。

a.      rcu_read_lock()  //标记读者临界区的开始  b.      rcu_read_unlock()  //标记读者临界区的结束  c.      synchronize_rcu() / call_rcu() //等待Grace period结束后进行资源回收  d.      rcu_assign_pointer()  //Updater使用这个宏对受RCU保护的指针进行赋值  e.      rcu_dereference()  //Reader使用这个宏来获取受RCU保护的指针

4.2 其他相关API

基于核心的API，扩展了其他相关的API，如下，不再详述：

RCU list traversal::            list_entry_rcu          list_entry_lockless          list_first_entry_rcu          list_next_rcu          list_for_each_entry_rcu          list_for_each_entry_continue_rcu          list_for_each_entry_from_rcu          list_first_or_null_rcu          list_next_or_null_rcu          hlist_first_rcu          hlist_next_rcu          hlist_pprev_rcu          hlist_for_each_entry_rcu          hlist_for_each_entry_rcu_bh          hlist_for_each_entry_from_rcu          hlist_for_each_entry_continue_rcu          hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh          hlist_nulls_first_rcu          hlist_nulls_for_each_entry_rcu          hlist_bl_first_rcu          hlist_bl_for_each_entry_rcu    RCU pointer/list update::            rcu_assign_pointer          list_add_rcu          list_add_tail_rcu          list_del_rcu          list_replace_rcu          hlist_add_behind_rcu          hlist_add_before_rcu          hlist_add_head_rcu          hlist_add_tail_rcu          hlist_del_rcu          hlist_del_init_rcu          hlist_replace_rcu          list_splice_init_rcu          list_splice_tail_init_rcu          hlist_nulls_del_init_rcu          hlist_nulls_del_rcu          hlist_nulls_add_head_rcu          hlist_bl_add_head_rcu          hlist_bl_del_init_rcu          hlist_bl_del_rcu          hlist_bl_set_first_rcu    RCU::            Critical sections       Grace period            Barrier            rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier          rcu_read_unlock         synchronize_rcu          rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited          rcu_read_lock_held      call_rcu          rcu_dereference_check   kfree_rcu          rcu_dereference_protected    bh::            Critical sections       Grace period            Barrier            rcu_read_lock_bh        call_rcu                rcu_barrier          rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu          [local_bh_disable]      synchronize_rcu_expedited          [and friends]          rcu_dereference_bh          rcu_dereference_bh_check          rcu_dereference_bh_protected          rcu_read_lock_bh_held    sched::            Critical sections       Grace period            Barrier            rcu_read_lock_sched     call_rcu                rcu_barrier          rcu_read_unlock_sched   synchronize_rcu          [preempt_disable]       synchronize_rcu_expedited          [and friends]          rcu_read_lock_sched_notrace          rcu_read_unlock_sched_notrace          rcu_dereference_sched          rcu_dereference_sched_check          rcu_dereference_sched_protected          rcu_read_lock_sched_held      SRCU::            Critical sections       Grace period            Barrier            srcu_read_lock          call_srcu               srcu_barrier          srcu_read_unlock        synchronize_srcu          srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited          srcu_dereference_check          srcu_read_lock_held    SRCU: Initialization/cleanup::            DEFINE_SRCU          DEFINE_STATIC_SRCU          init_srcu_struct          cleanup_srcu_struct    All: lockdep-checked RCU-protected pointer access::            rcu_access_pointer          rcu_dereference_raw          RCU_LOCKDEP_WARN          rcu_sleep_check          RCU_NONIDLE

好吧，罗列这些API有点然并卵。

RCU这个神秘的面纱算是初步揭开了，再往里边扒衣服的话，就会显得有些难了，毕竟RCU背后的实现机制确实挺困难的。那么，问题来了，要不要做一个扒衣见君者呢，敬请关注吧。

参考

Documentation/RCU
What is RCU, Fundamentally?
What is RCU? Part 2: Usage
RCU part 3: the RCU API
Introduction to RCU

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