【原创】LinuxRCU原理剖析(一)初窥门径
背景
Read the fucking source code!
--By 鲁迅A picture is worth a thousand words.
--By 高尔基
说明:
- Kernel版本:4.14
- ARM64处理器,Contex-A53,双核
- 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:
- 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;
- 没有死锁问题;
- 没有优先级反转的问题;
- 没有内存泄露的危险问题;
- 很好的实时延迟;
缺点:
- 写者的同步开销比较大,写者之间需要互斥处理;
- 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:
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;
- 使用
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;
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-Existing
RCU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:
- 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;
- 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; - 为了简化代码,基本的容错判断都已经省略了;
- 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 = %d
",
__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 = %d
",
__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 = %d
",
__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 = %d
",
__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 = %d
",
__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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