好久沒(méi)有更文，上次更文時(shí)西安天氣還很熱，現(xiàn)在“寒氣”它還真來(lái)了。在前一階段經(jīng)歷了一些公司的面試，經(jīng)常會(huì)問(wèn)到RCU鎖的原理，其實(shí)在跟對(duì)方口述表達(dá)時(shí)才真正能體現(xiàn)出來(lái)自己到底懂不懂，關(guān)于RCU鎖的原理與使用，我打算分若干個(gè)次文章整理出來(lái)，本次就先從一個(gè)大概的原理上進(jìn)行講解。

Read-Copy Update，簡(jiǎn)稱RCU，中文對(duì)應(yīng)"讀取-拷貝-更新"，

先給出一個(gè)解釋：

對(duì)于被RCU保護(hù)的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，讀者不需要獲得任何鎖就可以直接訪問(wèn)，但寫(xiě)者在訪問(wèn)它時(shí)首先要拷貝一個(gè)副本，然后對(duì)副本進(jìn)行修改，最后使用一個(gè)回調(diào)機(jī)制在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)把指向數(shù)據(jù)的指針重新指向新的被修改的數(shù)據(jù)。

簡(jiǎn)化來(lái)說(shuō)：

記錄指針：記錄所有的指向“共享數(shù)據(jù)”的指針。

讀取-拷貝： " 指針持有者 “ 修改該 ” 共享數(shù)據(jù) " ,：先創(chuàng)建一個(gè)共享數(shù)據(jù) " 副本 " , 然后在副本中修改 。

更新數(shù)據(jù)：讀者讀取”共享數(shù)據(jù)“，離開(kāi)”讀者臨界區(qū)“后，指向原來(lái) " 共享數(shù)據(jù) " 的 指針 重新指向 " 副本 " , 然后再回收處理舊的 " 共享數(shù)據(jù) " 。

RCU鎖優(yōu)劣：

讀者不需要承擔(dān)同步開(kāi)銷(同步開(kāi)銷：1、獲取鎖;2、執(zhí)行”原子指令“;3、執(zhí)行”內(nèi)存屏障“)，因?yàn)樽x端不需要鎖，不使用原子指令，故不會(huì)導(dǎo)致鎖競(jìng)爭(zhēng)。

寫(xiě)者承擔(dān)很大的同步開(kāi)銷，需要讀取并復(fù)制共享數(shù)據(jù)，還有使用互斥鎖機(jī)制等。

關(guān)于具體場(chǎng)景：

RCU鎖是 Linux 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的一種針對(duì)“讀多寫(xiě)少”的共享數(shù)據(jù)的同步機(jī)制。

RCU主要針對(duì)的數(shù)據(jù)對(duì)象是鏈表，目的是提高遍歷讀取數(shù)據(jù)的效率，為了達(dá)到目的使用RCU機(jī)制讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候不對(duì)鏈表進(jìn)行耗時(shí)的加鎖操作。RCU機(jī)制極大提高"鏈表"數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的讀取效率，多個(gè)線程同時(shí)讀取鏈表時(shí)，使用rcu_read_lock()即可，在多線程讀取的同時(shí)還允許有1個(gè)線程修改鏈表。在Linux內(nèi)核中專門提供了頭文件：

include/linux/rculist.h定義了一些宏函數(shù)用于RCU處理鏈表，如下表中是該頭文件中的宏定義.在內(nèi)核編程時(shí)可根據(jù)需要查詢?cè)擃^文件中源碼選擇，如list_entry_rcu與list_for_each_entry_rcu：

list_for_each_entry_rcu用于遍歷由RCU保護(hù)的鏈表head，只要在讀端臨界區(qū)使用該函數(shù)，它就可以安全地和其它_rcu鏈表操作函數(shù)(如list_add_rcu)并發(fā)運(yùn)行。

RCU鏈表遍歷操作相關(guān)宏：

直接上代碼來(lái)個(gè)簡(jiǎn)單的Demo:僅創(chuàng)建一個(gè)讀者和寫(xiě)者去感受一下RCU鎖的使用,下面的例子通過(guò)RCU機(jī)制保護(hù)rcu_test_init()函數(shù)分配的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct foo *test ;并創(chuàng)建一個(gè)讀者和一個(gè)寫(xiě)者來(lái)模擬同步場(chǎng)景。

運(yùn)行截圖：

對(duì)于讀線程：

通過(guò)rcu_read_lock()函數(shù)和rcu_read_unlock()函數(shù)來(lái)構(gòu)建一個(gè)讀者臨界區(qū)，rcu_read_lock() 和 rcu_read_unlock()，是 RCU “隨意讀” 的關(guān)鍵，它們的效果是聲明了一個(gè)讀端的臨界區(qū)。讀者在臨界區(qū)中,不能發(fā)生進(jìn)程上下文切換，否則,因?yàn)閷?xiě)者需要要等待讀者完成,寫(xiě)者進(jìn)程也會(huì)一直被阻塞。

調(diào)用list_for_each_entry_rcu宏函數(shù)，遍歷獲取被保護(hù)數(shù)據(jù)，此時(shí)P指向被保護(hù)的數(shù)據(jù)。

對(duì)于寫(xiě)線程：

調(diào)用list_first_or_null_rcu宏函數(shù)，讀取元素，然后開(kāi)始復(fù)制一份副本。

對(duì)副本進(jìn)行修改操作。

調(diào)用list_replace_rcu宏函數(shù)，用新節(jié)點(diǎn)替換掉舊節(jié)點(diǎn)，實(shí)際也是調(diào)用了rcu_assign_pointer()更新了元素，rcu_assign_pointer用來(lái)為被RCU保護(hù)的指針?lè)峙湟粋€(gè)新的值，這樣是為了安全更改其值，這個(gè)原語(yǔ)保護(hù)并發(fā)讀不受更新操作的影響。寫(xiě)者調(diào)用rcu_assign_pointer后，對(duì)于讀者就"可見(jiàn)"了，調(diào)用rcu_assign_pointer前就已經(jīng)開(kāi)始讀取舊值的依然可以訪問(wèn)舊值。

調(diào)用synchronize_rcu宏函數(shù)，為了確保沒(méi)有讀者正在訪問(wèn)要回收的臨界資源，需要等待所有的讀者退出臨界區(qū)，該宏函數(shù)通過(guò)阻塞來(lái)做到這一點(diǎn)，直到所有cpu上所有預(yù)先存在的RCU讀端臨界區(qū)都完成，相當(dāng)于給讀者一個(gè)安全退出的寬限區(qū)。

kfree釋放舊數(shù)據(jù)。

以上分析與記錄的相關(guān)概念都比較簡(jiǎn)單，RCU的實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜，本文對(duì)一些細(xì)節(jié)沒(méi)有展開(kāi)，如回收舊資源時(shí)的寬限區(qū)等，所以本次只是一個(gè)原理層面一個(gè)大概的分析，后面有時(shí)間會(huì)繼續(xù)分析。