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）；

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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：

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；

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。

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：

好吧，罗列这些API有点然并卵。

原文作者：LoyenWang