linux RCU机制介绍

RCU（Read-Copy Update）的意思是读-复制更新，它是根据原理命名的。写者修改对象的过程是：首先复制生成一个副本，然后更新这个副本，最后使用新的对象替换旧的对象。在写者执行复制更新的时候读者可以读数据。

写者删除对象，必须等到所有访问被删除对象的读者访问结束，才能执行销毁操作。RCU的关键技术是怎么判断所有读者已经完成访问。等待所有读者访问结束的时间称为宽限期（grace period）。

RCU的优点是读者没有任何同步开销：不需要获取任何锁，不需要执行原子指令，（在除了阿尔法以外的处理器上）不需要执行内存屏障。但是写者的同步开销比较大，写者需要延迟对象的释放，复制被修改的对象，写者之间必须使用锁互斥。

下面介绍几个概念：

读者临界区：读者访问RCU保护的对象的代码区域。

静止状态（Quiescent State）：

在RCU设计中，如果一个CPU处于RCU读者临界区中，说明它的状态是活跃的；相反，如果在时钟tick中检测到该CUP处于用户模式或者idle模式，说明该CPU已经离开了读者临界区，那么它是静止状态。在不支持抢占的RCU实现中，只要检测到CPU有进程上下文切换，就可以知道离开了读者临界区。

宽限期/优雅期（Grqce Period）：

       GP有生命周期，有开始和结束之分。在GP开始的那一刻算起，当所有处于读者临界区的CPU都离开了临界区，也就是都至少发生了一次 Quiescent State，那么就认为一个GP可以结束了。GP结束后，RCU会调用注册的回调函数，例如销毁旧数据等。

RCU的第一个版本称为经典RCU，在内核版本2.5.43中引入，目前内核支持3种RCU。

（1）不可抢占RCU（RCU-sched）。不允许进程在读端临界区被其他进程抢占。最初的经典RCU是不可抢占RCU，后来引入了可抢占RCU，所以内核版本2.6.12为不可抢占RCU设计了一套专用编程接口。

（2）加速版不可抢占RCU（RCU-bh，bh是“bottom half”的缩写，下半部），在内核版本2.6.9中引入，是针对不可抢占RCU的改进，在软中断很多的情况下可以缩短宽限期。

内核的网络栈在软中断里面处理报文，如果攻击者疯狂地发送报文攻击设备，导致被攻击设备的处理器大部分时间执行软中断，宽限期会变得很长，大量延后执行的销毁操作没有被执行，可能导致内存耗尽。

为了应对这种分布式拒绝服务攻击，RCU-bh把执行完软中断看作处理器退出读端临界区的标志，缩短宽限期。

（3）可抢占RCU（RCU-preempt），也称为实时RCU，在内核版本2.6.26中引入。可抢占RCU允许进程在读端临界区被其他进程抢占。编译内核时需要开启配置宏CONFIG_ PREEMPT_RCU。

 不可抢占的RCU检测一个CPU是否经历过了Quiescent State：

       对于rcu_sched和rcu_bh类型的RCU来说，如果在时钟tick中检测到该CUP处于用户模式或者idle模式中，说明从开始一个GP到当前时刻，当前CPU已经离开了RCU临界区，即经历过了Quiescent State。另外对于rcu_bh，如果现在没有正在处理软中断或是禁止了软中断，对于rcu_bh类型的RCU来说，也经历过了一个Quiescent State。

RCU根据数据结构可以分为以下两种。

（1）树型RCU（tree RCU）：也称为基于树的分层RCU（Tree-based hierarchical RCU），为拥有几百个或几千个处理器的大型系统设计。配置宏是CONFIG_TREE_RCU。

（2）微型RCU（tiny RCU）：为不需要实时响应的单处理器系统设计。配置宏是CONFIG_ TINY_RCU。