RCU到底是什么？为什么快？为什么可以读写并行？

RCU经典文献

• What is RCU, Fundamentally?
• What is RCU? Part 2: Usage
• RCU part 3: the RCU API
• linux kernel
• RCU作者的主页介绍

这几个连接简直就是一个宝藏，里面的干活很多很多！！！有时间一定要多看看。下文中的内容是看第一个和第二个链接的笔记和整理。直接观看原文，效果更佳。

RCU锁特点介绍

Read-copy_update(简称RCU)技术是一种数据同步机制。常见的数据同步机制有：互斥锁，自旋锁，读写锁，顺序锁，信号量等手段。而RCU锁是一种比较高效的并发编程技术，它与2002年10月被添加到Linux内核中，在很多场景中它是用来替代读写锁的。

RCU锁的特点有：

• 允许读写同时进行
• 任意读；写操作时先拷贝一个副本，在副本上进行修改、发布，并在合适时间释放原来的旧数据
• 读端不存在睡眠、阻塞、轮询，不会形成死锁，相比读写锁效率更高。

RCU也有自己的缺点：

• 低优先级的读操作可阻塞高优先级的写操作
• 宽限期可能比较长

这是由于RCU 写操作完毕后，会等待读端的完毕，等所有的读操作完毕后，宽限期结束，此时写端才会将资源释放。这里没有区分优先级，因此低优先级的读操作可能会影响到高优先级的写操作。

其实，RCU技术的特点还不仅如此，而有一个更重要的特点：多核扩展性。RCU虽然我们将其称之为RCU锁，但它并没有采用锁技术，而读写锁则是一个真正的锁，在扩展性上很差，设备CPU核越多，锁的竞争会越激烈，效率会越低。因此在现在很多的实现中，越来越注重无锁技术的实现。 下图是在文章What is RCU? Part 2: Usage中的一张RCU和rwlock在多核扩展性上对比图片：

RCU中常见问题

1. 有没有使用引用计数

关于RCU实现原理还有一个误解：RCU采用了引用计数的方式确定是否存在读者。 这个观点也是错的。

首先RCU并没有采用引用计数的机制，而是采用了一种非常简单的技术来实现；其次如果非要深究到底有没有引用计数，按照What is RCU? Part 2: Usage中的说法是“RCU is a Restricted Reference-Counting Mechanism”，但RCU本质上是没有采用引用计数的机制。它的解释如下：

“rcu_read_lock() 语句可以被认为是获取对 p 的引用，相当于一个引用计数。因为在 rcu_dereference() 分配给 p 之后开始的宽限期不可能在我们到达匹配的 rcu_read_unlock() 之前结束。 这种引用计数方案受到限制，因为我们不允许在 RCU 读端临界区中阻塞，也不允许我们将 RCU 读端临界区从一个任务切换到另一个任务“。

虽然有点像引用计数，但绝对不是。

至于它怎么实现：检测是否有人在引用当前变量呢？ 我在下面介绍下

2. RCU既然没有使用引用计数，那又是确定是否存在读者引用之？

RCU 读锁加锁和去锁最基本的函数是：

#define rcu_read_lock()		preempt_disable()

#define rcu_read_unlock()	preempt_enable()

加锁实际上是禁止上下文切换；而解锁是允许上下文切换。它们是一个全局设置，不与任何一项锁绑定。这也是为啥RCU读锁不需要任何参数的原因。

基于此，便可以通过让CPU进行一次上下文切换来实现检测读端是否完成，而不必跟踪每一个引用的进程。 这是一个RCU非常重要的特点

进行这个操作是：synchronize_rcu(), 这个函数在内核中实现有点复杂，它毕竟还需要考虑中断，热插拔等因素。如果只考虑RCU部分，它的功能可以概括为：

第一个函数用来遍历所有的CPU；第二行run_on()函数用来将当前线程切换到指定的CPU上。如果这个任务顺利完成，则说明所有的核已经经历过一次上下文切换，此刻必定读端已经结束，否则无法触发切换。

关于这里，我曾经有一个疑问：假如最初CPU1读端结束，执行了一次上下文切换；然后在等待其他CPU过程中，又再次进入RCU读临界区，如果此时释放，会导致严重后果吗？ 有点类似于下图(黄色部分表示可以进行上下文切换)

不过后来想明白了。以替换一个节点为例进行说明：

• 链表最初状态如下：
  

• 插入一个元素时，先复制一个副本，再次基础上修改，然后完成发布
  从此刻开始，rcu宽限期也开始。在发布之前的RCU读端访问的是2号节点(如果有的话)，发布之后，新来的RCU读端读取的是2_new新节点。这是RCU的一个重要特点，实时性很好。

  这里还没有完，旧的2号节点还没有被释放。

• 更新操作（资源回收）

那么什么时候释放呢？ 当然是所有使用2号节点的读端都完成了再释放。

那么什么时候所有的读端完成呢？就是刚才提到的，synchronize_rcu()函数的任务。此函数返回后我们就可以释放了（异步释放也差不多，只不过通过回调函数来完成此项操作）

再回到刚才的问题：如果CPU都已经完成了一次上下文切换，准备进行资源释放时(例如将上面的2节点释放)，其他CPU又重新进入临界区怎么办？

答案是：再次进入临界区的读端获取的是新的节点2_new, 原来的节点2已经不能再被新的读者访问到了。

这种检查原理上简单了很多，但也导致了rcu宽限期比较长。毕竟这个上下文切换是个全局设置，得照顾到所有的CPU。

3. RCU 读端和写端同时操作，不会触发段错误吗？

这个问题也是我当初百思不得其解的地方。
场景：

• 读端已经进入到1号节点
• 写端已经复制了2号节点2_new，完成了数据更新，并且将2_new的后继指针指向了3号节点
• 写端开始修改1号节点的后继指针，从2号节点切换到2_new节点；但是读端也正好在1号节点的后继节点，此时会出现后继节点为空导致链表遍历提前结束的情况吗？

这个问题困扰了很久。不过当我再次读What is RCU, Fundamentally?时，发现了上面有这个问题的回答。最初看时竟然没有注意到这个问题。

简单的说：在Linux系统中，所有的加载和存储操都是原子的，不可能被分割。针对上述场景，读端要么读取到2节点，要么读取到2_new节点。不会出现第三结果。

4. RCU 与资源回收

最初怎么也不会将这两个联系起来。但是慢慢发现有那么一丁点像

RCU会等待资源不再被引用时释放对应的资源。从这么一点看还确实有点像GC的赶脚

不过他们最大的区别在于(从资源回收上看)：程序员必须手动指定RCU读端临界区资源，甚至手动指定释放的位置。

最初怎么也不会将这两个联系起来。但是慢慢发现有那么一丁点像

RCU会等待资源不再被引用时释放对应的资源。从这么一点看还确实有点像GC的赶脚

不过他们最大的区别在于(从资源回收上看)：程序员必须手动指定RCU读端临界区资源，甚至手动指定释放的位置。