一文搞懂 ， Linux内核—— 同步管理（下）

上面讲的自旋锁，信号量和互斥锁的实现，都是使用了原子操作指令。由于原子操作会 lock，当线程在多个 CPU 上争抢进入临界区的时候，都会操作那个在多个 CPU 之间共享的数据 lock。CPU 0 操作了 lock，为了数据的一致性，CPU 0 的操作会导致其他 CPU 的 L1 中的 lock 变成 invalid，在随后的来自其他 CPU 对 lock 的访问会导致 L1 cache miss（更准确的说是communication cache miss），必须从下一个 level 的 cache 中获取。

这就会使缓存一致性变得很糟，导致性能下降。所以内核提供一种新的同步方式：RCU（读-复制-更新）。

RCU 解决了什么

RCU 是读写锁的高性能版本，它的核心理念是读者访问的同时，写者可以更新访问对象的副本，但写者需要等待所有读者完成访问之后，才能删除老对象。读者没有任何同步开销，而写者的同步开销则取决于使用的写者间同步机制。

RCU 适用于需要频繁的读取数据，而相应修改数据并不多的情景，例如在文件系统中，经常需要查找定位目录，而对目录的修改相对来说并不多，这就是 RCU 发挥作用的最佳场景。

RCU 例子

RCU 常用的接口如下图所示：

为了更好的理解，在剖析 RCU 之前先看一个例子：

#include#include#include#include#include#include#include#includestructfoo{inta;structrcu_headrcu;};staticstructfoo*g_ptr;staticintmyrcu_reader_thread1(void*data)//读者线程1{structfoo*p1=NULL;while(1){if(kthread_should_stop())break;msleep(20);rcu_read_lock();mdelay(200);p1=rcu_dereference(g_ptr);if(p1)printk("%s: read a=%d\n",__func__,p1->a);rcu_read_unlock();}return0;}staticintmyrcu_reader_thread2(void*data)//读者线程2{structfoo*p2=NULL;while(1){if(kthread_should_stop())break;msleep(30);rcu_read_lock();mdelay(100);p2=rcu_dereference(g_ptr);if(p2)printk("%s: read a=%d\n",__func__,p2->a);rcu_read_unlock();}return0;}staticvoidmyrcu_del(structrcu_head*rh)//回收处理操作{structfoo*p=container_of(rh,structfoo,rcu);printk("%s: a=%d\n",__func__,p->a);kfree(p);}staticintmyrcu_writer_thread(void*p)//写者线程{structfoo*old;structfoo*new_ptr;intvalue=(unsignedlong)p;while(1){if(kthread_should_stop())break;msleep(250);new_ptr=kmalloc(sizeof(structfoo),GFP_KERNEL);old=g_ptr;*new_ptr=*old;new_ptr->a=value;rcu_assign_pointer(g_ptr,new_ptr);call_rcu(&old->rcu,myrcu_del);printk("%s: write to new %d\n",__func__,value);value++;}return0;}staticstructtask_struct*reader_thread1;staticstructtask_struct*reader_thread2;staticstructtask_struct*writer_thread;staticint__initmy_test_init(void){intvalue=5;printk("figo: my module init\n");g_ptr=kzalloc(sizeof(structfoo),GFP_KERNEL);reader_thread1=kthread_run(myrcu_reader_thread1,NULL,"rcu_reader1");reader_thread2=kthread_run(myrcu_reader_thread2,NULL,"rcu_reader2");writer_thread=kthread_run(myrcu_writer_thread,(void*)(unsignedlong)value,"rcu_writer");return0;}staticvoid__exitmy_test_exit(void){printk("goodbye\n");kthread_stop(reader_thread1);kthread_stop(reader_thread2);kthread_stop(writer_thread);if(g_ptr)kfree(g_ptr);}MODULE_LICENSE("GPL");module_init(my_test_init);module_exit(my_test_exit);

执行结果是：

myrcu_reader_thread2:reada=0myrcu_reader_thread1:reada=0myrcu_reader_thread2:reada=0myrcu_writer_thread:writetonew5myrcu_reader_thread2:reada=5myrcu_reader_thread1:reada=5myrcu_del:a=0

RCU 原理

可以用下面一张图来总结，当写线程 myrcu_writer_thread 写完后，会更新到另外两个读线程 myrcu_reader_thread1 和 myrcu_reader_thread2。读线程像是订阅者，一旦写线程对临界区有更新，写线程就像发布者一样通知到订阅者那里，如下图所示。

写者在拷贝副本修改后进行 update 时，首先把旧的临界资源数据移除（Removal）；然后把旧的数据进行回收（Reclamation）。结合 API 实现就是，首先使用 rcu_assign_pointer 来移除旧的指针指向，指向更新后的临界资源；然后使用 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）。

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）。

Grace Period

中间的黄色部分代表的就是 Grace Period，中文叫做宽限期，从 Removal 到 Reclamation，中间就隔了一个宽限期，只有当宽限期结束后，才会触发回收的工作。宽限期的结束代表着 Reader 都已经退出了临界区，因此回收工作也就是安全的操作了。

宽限期是否结束，与 CPU 的执行状态检测有关，也就是检测静止状态 Quiescent Status。

Quiescent Status

Quiescent Status，用于描述 CPU 的执行状态。当某个 CPU 正在访问 RCU 保护的临界区时，认为是活动的状态，而当它离开了临界区后，则认为它是静止的状态。当所有的 CPU 都至少经历过一次 Quiescent Status 后，宽限期将结束并触发回收工作。

因为 rcu_read_lock 和 rcu_read_unlock 分别是关闭抢占和打开抢占，如下所示：

staticinlinevoid__rcu_read_lock(void){preempt_disable();}

staticinlinevoid__rcu_read_unlock(void){preempt_enable();}

所以发生抢占，就说明不在 rcu_read_lock 和 rcu_read_unlock 之间，即已经完成访问或者还未开始访问。

Linux 同步方式的总结

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