TREE RCU实现之一 —— 数据结构
代码分布
在分析代码之前， 先看看代码的分布情况。RCU实现的代码包含在下列一些文件中，此处用到的是linux 3.6.4的代码。
< include/linux/rcupdate.h >RCU实现的头文件，所有使用RCU的代码都需要包含它
< include/rcutree.h >包含rcupdate.h中没有包含的函数声明。
< include/rcutiny.h >包含rcupdate.h中没有包含的函数声明。
< kernel/rcupdate.c >包括一些RCU实现的基础函数的实现。
< kernel/rcutree.h >包含Tree RCU用到的结构信息，TREE_RCU将所有的CPU组织成一颗树，通过层次结构来判别进程是否通过了宽限期，这种方式适用于多个CPU的系统。
< kernel/rcutree.c >包含Tree RCU的主要实现代码。
< kernel/rcutree_plugin.h >其实也是TREE RCU实现的一部分。主要包含了抢入式TreeRCU的代码。适用于抢入式的系统，抢入式的系统适用于需要低延迟的桌面或者嵌入式系统。
< kernel/rcutiny.c >Tiny RCU的主要实现代码，TINY_RCU适用于单个CPU，尤其是嵌入式操作系统。
< kernel/rcutiny_plugin.h >主要包含了抢入式Tiny RCU的代码
< kernel/rcu.h >定义了debug的接口，实现了__rcu_reclaim。
< kernel/rcutorture.c>对RCU进行稳定性测试的代码，通过配置CONFIG_RCU_TORTURE_TEST，可以在系统启动的时候运行稳定性测试。
< kernel/rcutree_trace.c>通过配置CONFIG_RCU_TRACE，可以记录RCU的运行信息。
< include/trace/events/rcu.h>为rcutree_trace.c定义的头文件。
RCU处理的基本流程
RCU实现的关键集中在宽限期的处理上，这个过程需要保证销毁对象前，当前系统中所有CPU上运行的进程都通过了静止状态（quiescent state）。
1， 程序调用call_rcu，将要删除的对象保存起来。并标记或者开始一个宽限期（同一时间只能运行一个宽限期，所以当已经有宽限期在运行的时候，其它的宽限期必须等待）。
2， 在读取数据开始和结尾处增加 rcu_read_lock 和 rcu_read_unlock来标记读过程。为了保证删除过程知道读过程的结束，在非抢占式RCU实现中是在rcu_read_lock开始处禁止进程抢占。这样做就可以保证再运行下一次进程切换的时候，读过程已经结束。其实系统也不会去统计各个CPU上是否存在过读线程，所以所有的CPU都会在进程切换的时候通知系统它处于进制状态。当所有的CPU都通过静止状态的时候，系统就会标记它通过了一个宽限期。
3，由于一个宽限期结束的时候，只有最后一个通过静止状态的CPU知道当前的宽限期已经结束，它并不会去通知其它CPU；同时出于性能考虑，系统也不会在宽限期结束后，马上去执行销毁过程。所以每个CPU都有一个固定的函数去检测是否有等待执行的宽限期，如果没有特别紧急的任务时，会去执行这些过程。
接下来，要分析Tree RCU的实现，先来看看它提供的一些接口函数。
1， call_rcu 与 synchronize_rcu都是删除对象时调用的函数。call_rcu将数据提交后会返回，而synchronize_rcu会调用call_rcu，并一直等待对象被删除后才返回。还有call_rcu_bh与synchronize_rcu_bh等接口函数，会在后续讲述。
2，rcu_read_lock 和 rcu_read_unlock
static inline void __rcu_read_lock(void)
{
preempt_disable();
}
static inline void __rcu_read_unlock(void)
{
preempt_enable();
}
static inline void rcu_read_lock(void)
{
__rcu_read_lock();
__acquire(RCU);
rcu_lock_acquire(&rcu_lock_map);
rcu_lockdep_assert(!rcu_is_cpu_idle(),
"rcu_read_lock() used illegally while idle");
}
static inline void rcu_read_unlock(void)
{
rcu_lockdep_assert(!rcu_is_cpu_idle(),
"rcu_read_unlock() used illegally while idle");
rcu_lock_release(&rcu_lock_map);
__release(RCU);
__rcu_read_unlock();
}
rcu_read_lock与rcu_read_unlock在非抢占式下的实现比较简单就是 preempt_disable与preempt_enable。这样做的目的是当调用schedule的时候，就可以肯定读的过程已经结束。其它_acquire(RCU)等函数是调试用的代码，暂不做讨论。
3， rcu_note_context_switch 在schedule中调用，每次进程切换就代表着一个静止状态。该函数会把当前的CPU状态设置为通过状态。
4， rcu_check_callbacks 在每次时钟周期里调用(update_process_times)。通过它会触发软件中断，软件中断对应着rcu_process_callbacks，这是一个真正繁忙的函数，他会检测当前CPU的状态，向父节点传递静止状态信息，调用注册函数等一系列工作。
在进一步了解这些函数之前，我们先来看看你Tree RCU的结构。
TREE RCU简介
在统计CPU的状态的时候，需要用到一个结构来存放所有CPU的状态。在早期的实现中，所有的状态都保存在一个结构中，这样做的后果是所有的CPU在更新自己状态的时候，都需要锁定该结构对象，一定程度上影响了系统性能。为了提高性能，把一定数目的CPU组成了一个节点（默认设定64个CPU为一个节点）；当节点超过64个的时候，再把这些节点按64为单位划分为归属不同的父节点；如此类推，最后的一个单独的节点作为根节点。这样在更新CPU状态的时候，只需要锁定自己所属的节点就可以了。按节点设置的数目，可见这个结构只对CPU数成百上千的系统才真正起作用（我都没见过超过32个cpu的机器，不知道是啥样的感觉）。
这样所有的CPU就按层级结构组织了起来，也就是一个树结构。当一个系统的CPU数少于64个的时候，只要一个rcu_node就可以。
每个CPU在完成宽限期检测的时候，就会去更新它所属的rcu_node的值，当一个rcu_node所包含的CPU的状态都更新过以后，该node就会去更新它所属的父节点的值。直到最后一个根节点。
TREE RCU数据结构
为了实现该结构，系统提供了以下结构。
rcu_data由于RCU需要统计每个CPU是否通过了宽限期，提供了rcu_data来保存信息。另外每个销毁的对象并不是直接删除，也保存在rcu_data中，等到合适的时机来执行。
struct rcu_data {
/* 1) 静止状态和宽限期处理: */
unsigned long completed; /* 对比 rsp->completed */
/* 目的是检测宽限期是否完成. */
unsigned long gpnum; /* 当前CPU上最高的宽限期数目*/
/* 在宽限期开始的时候设置. */
unsigned long passed_quiesce_gpnum;
/* 已经通过的宽限期数目. */
bool passed_quiesce; /* 是否通过了静止状态，在进程切换等状态会设置. */
bool qs_pending; /* 对于当前执行的宽限期，该CPU是否执行完成. */
bool beenonline; /* CPU是否在线，不在线的CPU需要特殊处理，以提高性能*/
bool preemptible; /* 是否抢占式RCU? */
struct rcu_node *mynode; /* 这个CPU对应的 rcu_node */
unsigned long grpmask; /* 占用1bit，对应与所属的rcu_node. */
#ifdef CONFIG_RCU_CPU_STALL_INFO
unsigned long ticks_this_gp; /* The number of scheduling-clock */
/* ticks this CPU has handled */
/* during and after the last grace */
/* period it is aware of. */
#endif /* #ifdef CONFIG_RCU_CPU_STALL_INFO */
/* 2) 批处理*/
/*
*
* 当nxtlist不为空的时候，会通过nxttail划分为以下几部分
* 每一个部分为空的时候，它的指针会被设置成与它的下一部分相同
* 当nxtlist为空的时候，所有的nxttail都会指向nxtlist的地址，这时候nxtlist指向NULL
*
* [nxtlist, *nxttail[RCU_DONE_TAIL]):
* 批处理的开始节点# <= ->completed
* 这些节点的宽限期已经完成，可以执行销毁操作。
* 当调用rcu_process_callbacks()的时候，下一批完成宽限期的节点也会放到这儿.
* [*nxttail[RCU_DONE_TAIL], *nxttail[RCU_WAIT_TAIL]):
* 批处理的开始节点 # <= ->completed - 1: 等待当前的批处理完成
* [*nxttail[RCU_WAIT_TAIL], *nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL]):
* 已知的当下次宽限期开始，可以开始等待的节点。
* [*nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL], *nxttail[RCU_NEXT_TAIL]):
* 当前不确定下次宽限期开始后，是否可以开始等待状态的节点。
* *nxttail[RCU_NEXT_TAIL] 的值将永远是NULL，
* 它表示nxtlist的结束.
*
*/
struct rcu_head *nxtlist;
struct rcu_head **nxttail[RCU_NEXT_SIZE];
long qlen_lazy; /* # kfree_rcu调用的次数，kfee_rcu等同于call_rcu，只是它不需要销毁的对象提供销毁函数*/
long qlen; /* # 当前需要执行销毁操作的次数，每次call_rcu会加一，执行过后减一*/
long qlen_last_fqs_check;
/* 对应与qlen，最后一次执行的次数*/
unsigned long n_cbs_invoked; /* 执行销毁操作的次数. */
unsigned long n_cbs_orphaned; /* 统计离线后CPU上剩下的callback函数的个数 */
unsigned long n_cbs_adopted; /* 从离线后的CPU上移出的callback函数的个数 */
unsigned long n_force_qs_snap;
/* 其它CPU是否在执行fore_qs? */
long blimit; /* nxtlist保存的上限 */
/* 3) 动态时钟,*/
struct rcu_dynticks *dynticks; /* 每个CPU都包含一个动态时钟. */
int dynticks_snap; /* 用于检测CPU是否在线. */
/* 4) 强制执行时候处理的CPU */
unsigned long dynticks_fqs; /* 由于进入dynticks idle而被处理的CPU. */
unsigned long offline_fqs; /* 由于不在在线被处理的CPU. */
/* 5) __rcu_pending() 的统计信息，这些信息都是在记录调用信息的时候使用. */
unsigned long n_rcu_pending; /* rcu_pending() 调用次数，自从启动. */
unsigned long n_rp_qs_pending;
unsigned long n_rp_report_qs;
unsigned long n_rp_cb_ready;
unsigned long n_rp_cpu_needs_gp;
unsigned long n_rp_gp_completed;
unsigned long n_rp_gp_started;
unsigned long n_rp_need_fqs;
unsigned long n_rp_need_nothing;
/* 6) _rcu_barrier() 的回调函数. */
struct rcu_head barrier_head;
int cpu;
struct rcu_state *rsp;
};
1，completed ，gpnum ， passed_quiesce_gpnum
gpnum表示当前正在运行的宽限期的个数，每当一个宽限期开始的时候，会设置这个值与其父节点相同。passed_quiesce_gpnum为当前CPU通过的宽限期个数，它的值在宽限期开始的时候小于gpnum，当这个CPU经过一个静止状态的时候，会把它设置成gpnum的值，通过对比它与父节点中的gpnum是否相同，可以确定该CPU是否通过了宽限期。passed_quiesce_gpnum只是表示这个CPU通过了宽限期，而completed表示所有的CPU都通过了宽限期，设置该值的同时，可以将nxtlist中等待的回调函数移动到完成队列。
2， nxtlist 与nxttail
nxtlist保存的是指向rcu_head对象，rcu_head的定义如下：
struct callback_head {
struct callback_head *next;
void (*func)(struct callback_head *head);
};
#define rcu_head callback_head
rcu_head的结构并不复杂，它包含一个回调函数指针。而next可以把rcu_head连成一个列表。
nxtlist指向一个rcu_head 列表，而nxttail的四个元素是指向指针的指针，它们指向的是rcu_head对象的next。RCU_DONE_TAIL指向的rcu_head对象之前的对象是可以销毁的对象。RCU_WAIT_TAIL指向的正在等待宽限期的元素，RCU_NEXT_READ_TAIL指向的是等待下次宽限期的元素，RCU_NEXT_TAIL指向最后一个元素，这个元素总是指向NULL。
rcu_node
struct rcu_node {
raw_spinlock_t lock; /* rcu_node的锁，用来保护以下的一些成员*/
unsigned long gpnum; /* 该节点当前的宽限期的数量 */
/* 该值等于或者比父节点的值小1*/
unsigned long completed; /* 该节点完成的宽限期数量*/
/* 该值等于或者比父节点的值小1*/
unsigned long qsmask; /* 标记这个节点对应的所有CPU或者子节点是否完成了当前的宽限期*/
/* 每一个bit对应一个cpu或者一个子节点.*/
unsigned long expmask; /* 需要执行 ->blkd_tasks 的元素 */
/* (应用于TREE_PREEMPT_RCU). */
atomic_t wakemask; /* 需要唤醒kthread的CPU. */
unsigned long qsmaskinit;
/* 每个宽限期开始时，用它来初始化qsmask，不存在或者不在线的CPU需要清除. */
unsigned long grpmask; /* 对应于父节点中的位置. */
/* 只是用一bit. */
int grplo; /* 该节点代表的CPU或者子节点开始的位置. */
int grphi; /* 该节点代表的CPU或者子节点结束的位置. */
u8 grpnum; /* 下一级的CPU或者子节点的个数. */
u8 level; /* 跟节点是 0. */
struct rcu_node *parent;
struct list_head blkd_tasks;
/* 阻断读关键段的任务列表 */
/* */
struct list_head *gp_tasks;
/* 指向第一个阻断读关键段的任务 */
struct list_head *exp_tasks;
/*以下为抢先式下加速RCU过程的变量*/
#ifdef CONFIG_RCU_BOOST
struct list_head *boost_tasks;
/* Pointer to first task that needs to be */
/* priority boosted, or NULL if no priority */
/* boosting is needed for this rcu_node */
/* structure. If there are no tasks */
/* queued on this rcu_node structure that */
/* are blocking the current grace period, */
/* there can be no such task. */
unsigned long boost_time;
/* When to start boosting (jiffies). */
struct task_struct *boost_kthread_task;
/* kthread that takes care of priority */
/* boosting for this rcu_node structure. */
unsigned int boost_kthread_status;
/* State of boost_kthread_task for tracing. */
unsigned long n_tasks_boosted;
/* Total number of tasks boosted. */
unsigned long n_exp_boosts;
/* Number of tasks boosted for expedited GP. */
unsigned long n_normal_boosts;
/* Number of tasks boosted for normal GP. */
unsigned long n_balk_blkd_tasks;
/* Refused to boost: no blocked tasks. */
unsigned long n_balk_exp_gp_tasks;
/* Refused to boost: nothing blocking GP. */
unsigned long n_balk_boost_tasks;
/* Refused to boost: already boosting. */
unsigned long n_balk_notblocked;
/* Refused to boost: RCU RS CS still running. */
unsigned long n_balk_notyet;
/* Refused to boost: not yet time. */
unsigned long n_balk_nos;
/* Refused to boost: not sure why, though. */
/* This can happen due to race conditions. */
#endif /* #ifdef CONFIG_RCU_BOOST */
struct task_struct *node_kthread_task;
/* kthread that takes care of this rcu_node */
/* structure, for example, awakening the */
/* per-CPU kthreads as needed. */
unsigned int node_kthread_status;
/* State of node_kthread_task for tracing. */
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;
每个rcu_node代表着 一组CPU或者子节点。在非抢占式下，它的结构并不复杂。由于可能有多个CPU对它进行处理，所有进行相应操作的时候，需要lock保护。
rcu_state
struct rcu_state {
struct rcu_node node[NUM_RCU_NODES]; /* 保存了所有的节点. */
struct rcu_node *level[RCU_NUM_LVLS]; /* 每个层级所指向的节点. */
u32 levelcnt[MAX_RCU_LVLS + 1]; /* # 每一层的节点数. */
u8 levelspread[RCU_NUM_LVLS]; /* 每一层的CPU/节点数. */
struct rcu_data __percpu *rda; /* 指向rcu_data. */
void (*call)(struct rcu_head *head, /* rcu_barrier指向的回调函数. */
void (*func)(struct rcu_head *head));
/* The following fields are guarded by the root rcu_node's lock. */
u8 fqs_state ____cacheline_internodealigned_in_smp;
/* 调用force_quiescent_state时的状态. */
u8 fqs_active; /* force_quiescent_state() 正在运行*/
u8 fqs_need_gp; /* 因为 force_quiescent_state() 正在运行*/
/* 一个CPU需要运行的宽限期被阻止*/
u8 boost; /* 加速. */
unsigned long gpnum; /* 当前的宽限起数量. */
unsigned long completed; /* # 最后一次完成的宽限期数量. */
/* 以下的成员被根rcu_node的lock保护. */
raw_spinlock_t onofflock; /* 开始一个新的宽限期的时候，阻止CPU上下线*/
struct rcu_head *orphan_nxtlist; /* 等待宽限期的孤儿回调函数的列表 */
struct rcu_head **orphan_nxttail; /* 以上列表的结尾. */
struct rcu_head *orphan_donelist; /* 需要执行的孤儿回调函数列表 */
struct rcu_head **orphan_donetail; /* 以上列表的结尾. */
long qlen_lazy; /* 懒惰回调函数的个数. */
long qlen; /* 总的回调函数的个数. */
struct task_struct *rcu_barrier_in_progress;
/* 调用rcu_barrier()的进程, */
/* 没有的话指向NULL. */
struct mutex barrier_mutex; /* 执行barrier需要的互斥锁. */
atomic_t barrier_cpu_count; /* # 等待barrier的CPU数 . */
struct completion barrier_completion; /* 在barrier结束的时候调用. */
unsigned long n_barrier_done; /* 在_rcu_barrier()开始结束处都需要调用++ */
raw_spinlock_t fqslock; /* 只有一个进程能调用 force_quiescent_state().*/
unsigned long jiffies_force_qs; /* force_quiescent_state()开始的时间 */
unsigned long n_force_qs; /* 调用force_quiescent_state()的次数 */
unsigned long n_force_qs_lh; /* 因为lock不可用，而退出force_quiescent_state()的次数 */
unsigned long n_force_qs_ngp; /* 因为当前有宽限期执行，而退出force_quiescent_state()的次数*/
unsigned long gp_start; /* 宽限期开始的时间*/
unsigned long jiffies_stall;
unsigned long gp_max; /* 最长的宽限的jiffie数 */
char *name; /* 结构的名字. */
struct list_head flavors; /* 系统中的rcu_state. */
};rcu_state 保存了所有的node，宽限期的判断只要取出根节点，也就是第一个元素就可以。还有一些初始化要用到的变量。还有孤儿回调函数用于处理离线CPU遗留的信息。剩下还有很多统计信息，这些内容在讲解代码实现的时候再仔细考虑。