Linux RCU机制 - 元素码农

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发布时间: 2025-03-23 11:07

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# Linux RCU机制

## 概述

RCU(Read-Copy Update)是Linux内核中的一种同步机制,它主要用于解决读多写少场景下的并发访问问题。RCU允许多个读者在不获取锁的情况下并发访问共享数据,而写者则通过复制-修改-替换的方式来更新数据。

## 基本原理

### 1. 核心概念

1. **读者**
   - 无锁访问
   - 不会被写者阻塞
   - 在RCU临界区内访问数据

2. **写者**
   - 复制数据
   - 修改副本
   - 原子替换指针

3. **宽限期(Grace Period)**
   - 等待所有读者完成
   - 确保安全回收旧数据
   - 通过调度器实现

### 2. 工作流程

```text
1. 写者创建数据副本
2. 写者修改副本
3. 写者原子替换指针
4. 等待宽限期结束
5. 释放旧数据
```

## 实现机制

### 1. 基本API

```c
/* 读者侧API */
rcu_read_lock();
/* 访问RCU保护的数据 */
rcu_read_unlock();

/* 写者侧API */
p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
*p = *old_p;
/* 修改p指向的数据 */
rcu_assign_pointer(gp, p);
synchronize_rcu();
kfree(old_p);
```

### 2. 读者实现

```c
void rcu_read_lock(void)
{
    __rcu_read_lock();
    barrier();  /* 确保编译器不会重排序 */
}

void rcu_read_unlock(void)
{
    barrier();  /* 确保编译器不会重排序 */
    __rcu_read_unlock();
}

struct foo *rcu_access_pointer(struct foo __rcu *p)
{
    return READ_ONCE(p);
}
```

### 3. 写者实现

```c
void rcu_assign_pointer(struct foo __rcu *p, struct foo *v)
{
    smp_store_release(&p, v);
}

void synchronize_rcu(void)
{
    /* 等待所有CPU经过静止状态 */
    synchronize_sched();
}
```

## 使用场景

### 1. 链表操作

```c
struct foo {
    struct list_head list;
    int data;
    struct rcu_head rcu;
};

/* 添加节点 */
void list_add_rcu(struct foo *new_node)
{
    list_add(&new_node->list, &head);
}

/* 删除节点 */
void list_del_rcu(struct foo *node)
{
    list_del(&node->list);
    synchronize_rcu();
    kfree(node);
}

/* 遍历链表 */
void list_traverse(void)
{
    struct foo *p;

rcu_read_lock();
    list_for_each_entry_rcu(p, &head, list) {
        /* 访问p */
    }
    rcu_read_unlock();
}
```

### 2. 哈希表

```c
struct hash_table {
    struct hlist_head *buckets;
    unsigned int size;
    spinlock_t lock;
};

/* 查找元素 */
struct foo *hash_find(struct hash_table *ht, int key)
{
    struct foo *p;
    struct hlist_head *head;

rcu_read_lock();
    head = &ht->buckets[hash_fn(key)];
    hlist_for_each_entry_rcu(p, head, node) {
        if (p->key == key) {
            rcu_read_unlock();
            return p;
        }
    }
    rcu_read_unlock();
    return NULL;
}

/* 添加元素 */
void hash_add(struct hash_table *ht, struct foo *new_node)
{
    struct hlist_head *head;

spin_lock(&ht->lock);
    head = &ht->buckets[hash_fn(new_node->key)];
    hlist_add_head_rcu(&new_node->node, head);
    spin_unlock(&ht->lock);
}
```

## 性能优化

### 1. 批量处理

```c
/* 批量删除 */
void batch_delete(struct list_head *del_list)
{
    struct foo *p, *n;

/* 从主列表中删除 */
    list_for_each_entry_safe(p, n, del_list, list) {
        list_del_rcu(&p->list);
    }

/* 等待一次宽限期 */
    synchronize_rcu();

/* 释放内存 */
    list_for_each_entry_safe(p, n, del_list, list) {
        kfree(p);
    }
}
```

### 2. 回调机制

```c
void rcu_callback(struct rcu_head *head)
{
    struct foo *p = container_of(head, struct foo, rcu);
    kfree(p);
}

void delete_node(struct foo *p)
{
    list_del_rcu(&p->list);
    call_rcu(&p->rcu, rcu_callback);
}
```

### 3. 嵌套使用

```c
void nested_rcu(void)
{
    rcu_read_lock();
    /* 第一层RCU访问 */
    rcu_read_lock();
    /* 第二层RCU访问 */
    rcu_read_unlock();
    /* 继续第一层访问 */
    rcu_read_unlock();
}
```

## 调试技巧

### 1. 死锁检测

```c
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
    /* 检查是否在RCU读端临界区中 */
    if (rcu_read_lock_held()) {
        pr_warn("Attempt to call synchronize_rcu() in RCU read-side\n");
        dump_stack();
    }
#endif
```

### 2. 跟踪工具

```bash
# 使用ftrace跟踪RCU事件
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/events/rcu/enable
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe

# 查看RCU统计信息
cat /proc/rcu/rcudata
```

### 3. 内存检查

```bash
# 检查RCU内存泄漏
echo 1 > /sys/kernel/debug/rcutorture/rcutorture

# 查看RCU回调统计
cat /proc/rcu/rcu_callback_stats
```

## 最佳实践

1. **使用原则**
   - 适用于读多写少场景
   - 避免长时间RCU读锁
   - 正确处理内存回收

2. **错误处理**
   - 检查空指针
   - 处理内存分配失败
   - 避免死锁情况

3. **性能考虑**
   - 合理使用批量操作
   - 避免频繁更新
   - 控制临界区大小

## 常见问题

### 1. 内存问题

- 使用前检查指针有效性
- 确保正确释放内存
- 避免内存泄漏

### 2. 并发问题

- 正确使用内存屏障
- 避免数据竞争
- 处理ABA问题

### 3. 性能问题

- 减少同步开销
- 优化临界区
- 合理使用回调

## 总结

RCU是一种高效的同步机制,特别适合读多写少的场景。通过允许读者无锁访问,同时保证写者能安全更新数据,RCU在Linux内核中得到了广泛应用。理解RCU的工作原理和使用方法对于开发高性能的内核代码至关重要。

## 参考资源

1. [What is RCU?](https://lwn.net/Articles/262464/)
2. Linux内核源码: kernel/rcu/
3. [RCU Usage In the Linux Kernel](https://www.kernel.org/doc/Documentation/RCU/)