RCU 简介

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什么是 RCU

RCU (Read-Copy-Update) 是一种高效的同步机制，主要用于解决读多写少场景下的并发访问问题。它是 Linux 内核中广泛使用的同步技术，由 Paul McKenney 在 2001 年引入。RCU 允许多个读者无锁并发访问共享数据，同时写者可以并发修改数据，而不会导致数据不一致。

RCU 的核心思想

RCU 的核心思想可以概括为三个步骤：

1. 读取 (Read): 读者通过 RCU 保护的指针访问数据结构，无需获取锁
2. 复制 (Copy): 当需要修改数据时，写者先创建数据的一个副本并修改这个副本
3. 更新 (Update): 写者通过原子操作更新指向数据的指针，使其指向修改后的副本

RCU 的特点与优势

1. 读者零开销: 读操作不需要锁、内存屏障或原子操作，性能接近于无同步的单线程代码
2. 读写并发: 读者和写者可以并发执行，没有互斥问题
3. 可扩展性: 随着CPU核心数增加，RCU的性能扩展性良好
4. 实时性: 实时系统中特别有用，因为读操作不会被阻塞

RCU 在读多写少场景表现优异，读者开销极低，同时允许与写操作并发执行。

RCU 更新过程

整体工作流程

图表组成部分

Reader1 和 Reader2：表示两个不同时间进入的读者线程

Writer：表示执行更新操作的写者线程

Memory：表示内存/共享数据区域

初始状态：

内存中有一个全局指针 ptr 指向数据对象 data_v1

工作流程详解

1. 读取阶段：

Reader1 首先调用 rcu_read_lock() 进入读临界区

然后通过 rcu_dereference(ptr) 安全地获取指针副本

接着读取指针指向的数据内容

2. 复制阶段：

与此同时，Writer 创建数据对象 data_v1 的副本 data_v2

Writer 修改 data_v2 的内容

此时 Reader1 仍在使用原始数据 data_v1

3. 第二读者进入：

Reader2 调用 rcu_read_lock() 进入读临界区

同样通过 rcu_dereference(ptr) 获取指针副本

此时它看到的仍然是原始数据 data_v1

4. 指针更新：

Writer 调用 rcu_assign_pointer(ptr, data_v2) 原子地更新指针

此时内存中的 ptr 已经指向新数据 data_v2

但已经获取了旧指针的 Reader1 和 Reader2 仍然可以继续访问 data_v1

5. 宽限期开始：

Reader1 调用 rcu_read_unlock() 离开读临界区

Reader2 仍然在使用 data_v1 数据

Writer 调用 synchronize_rcu() 开始等待所有读者完成

6. 宽限期结束：

Reader2 调用 rcu_read_unlock() 离开读临界区

所有使用旧数据的读者都已完成操作

Writer 确认宽限期结束

7. 安全清理：

Writer 安全地调用 free(data_v1) 释放旧数据

此时不会有任何读者再使用 data_v1，避免了内存安全问题

内存状态

1. 初始状态: 所有读者通过全局指针访问原始数据对象

在下图中，全局指针 ptr 指向数据对象 v1，读者通过这个指针访问数据。

2. 创建新版本: 写者创建数据的副本并进行修改

3. 发布新版本: 写者原子地更新全局指针指向新数据对象

4. 等待宽限期: 写者等待所有现有读者完成访问

5. 回收旧版本: 旧版本的数据对象被安全释放

RCU API 在 Linux 内核中的使用

Linux 内核中的 RCU API 主要包括：

读者接口

/* 进入 RCU 读临界区 */
rcu_read_lock();

/* 安全地访问 RCU 保护的指针 */
p = rcu_dereference(ptr);
/* 在读临界区内可以安全访问 p 指向的数据 */

/* 退出 RCU 读临界区 */
rcu_read_unlock();

/* 其他读者接口变种 */
rcu_read_lock_bh();      /* 禁止底半部并进入读临界区 */
rcu_read_unlock_bh();    /* 退出读临界区并启用底半部 */

rcu_read_lock_sched();   /* 禁止抢占并进入读临界区 */
rcu_read_unlock_sched(); /* 退出读临界区并启用抢占 */

写者接口

/* 原子地更新 RCU 保护的指针 */
rcu_assign_pointer(ptr, new_data);

/* 同步 RCU - 阻塞等待所有读临界区完成 */
synchronize_rcu();

/* 异步回调释放 - 不会阻塞 */
call_rcu(&old_data->rcu_head, callback_function);

/* 延迟释放内存 (异步, call_rcu 的便捷封装) */
kfree_rcu(old_data, rcu_head);

/* 替换 RCU 保护的指针并返回旧指针 */
old_p = rcu_replace_pointer(ptr, new_data, lockdep_is_held(&lock));

使用示例

展开查看示例代码：

struct foo {
    int a;
    char b;
    struct rcu_head rcu; /* 用于 RCU 宽限期回调 */
};

/* RCU 保护的全局指针 - 带 __rcu 注解 */
struct foo __rcu *glob_ptr = NULL;

/* 读者函数 - 安全读取数据 */
void reader_function(void)
{
    struct foo *p;
    int a;
    
    /* 进入 RCU 读临界区 */
    rcu_read_lock();
    
    /* 安全地获取指针 - 使用 rcu_dereference 进行内存屏障和编译器优化控制 */
    p = rcu_dereference(glob_ptr);
    if (p) {
        /* 可以安全地访问 p 指向的数据 */
        a = p->a;
        /* 使用 a 做一些操作... */
        printk(KERN_INFO "Read value: %d\n", a);
    }
    
    /* 退出 RCU 读临界区 */
    rcu_read_unlock();
    
    /* 在这里不能再访问 p 指向的数据 */
}

/* 仅进行指针检查，不访问数据 */
bool has_data(void)
{
    /* 可以直接使用 rcu_access_pointer 进行简单检查而不访问数据 */
    return rcu_access_pointer(glob_ptr) != NULL;
}

/* 写者回调函数 - 用于异步释放 */
static void rcu_free_callback(struct rcu_head *rcu)
{
    /* container_of 宏获取包含 rcu_head 的 foo 结构体指针 */
    struct foo *fp = container_of(rcu, struct foo, rcu);
    
    /* 安全释放内存，此时宽限期已结束 */
    kfree(fp);
}

/* 创建并发布新数据 */
int writer_update_function(int new_a, char new_b)
{
    struct foo *new_fp, *old_fp;
    
    /* 创建新数据结构 */
    new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
    if (!new_fp)
        return -ENOMEM;  /* 内核风格的错误处理 */
        
    /* 更新新结构 */
    new_fp->a = new_a;
    new_fp->b = new_b;
    
    /* 
     * 对于多个写者场景，需要写者互斥锁
     * 但读者不需要获取此锁
     */
    spin_lock(&writer_lock);
    
    /* 获取旧指针 */
    old_fp = rcu_dereference_protected(glob_ptr, 
                                       lockdep_is_held(&writer_lock));
    
    /* 原子地更新全局指针，使其指向新数据 */
    rcu_assign_pointer(glob_ptr, new_fp);
    
    spin_unlock(&writer_lock);
    
    /* 
     * 此时, 新读者会看到 new_fp,
     * 而老读者会继续使用 old_fp
     */
     
    /* 方法1: 同步等待所有读者完成 (阻塞) */
    if (old_fp) {
        /* 此函数会阻塞直到所有已存在的读临界区结束 */
        synchronize_rcu();
        
        /* 所有读临界区结束后，安全释放旧数据 */
        kfree(old_fp);
    }
    
    return 0;
}

/* 使用异步释放的更新函数变体 */
int writer_update_async(int new_a, char new_b)
{
    struct foo *new_fp, *old_fp;
    
    /* 创建新数据结构 */
    new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
    if (!new_fp)
        return -ENOMEM;
        
    /* 更新新结构 */
    new_fp->a = new_a;
    new_fp->b = new_b;
    
    spin_lock(&writer_lock);
    
    old_fp = rcu_dereference_protected(glob_ptr,
                                       lockdep_is_held(&writer_lock));
    
    rcu_assign_pointer(glob_ptr, new_fp);
    
    spin_unlock(&writer_lock);
    
    /* 方法2: 异步释放 (非阻塞) */
    if (old_fp)
        call_rcu(&old_fp->rcu, rcu_free_callback);
    
    return 0;
}

/* 使用 kfree_rcu 的简化版本 */
int writer_update_simple(int new_a, char new_b)
{
    struct foo *new_fp, *old_fp;
    
    /* 创建新数据结构 */
    new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
    if (!new_fp)
        return -ENOMEM;
        
    /* 更新新结构 */
    new_fp->a = new_a;
    new_fp->b = new_b;
    
    spin_lock(&writer_lock);
    
    old_fp = rcu_dereference_protected(glob_ptr,
                                       lockdep_is_held(&writer_lock));
    
    rcu_assign_pointer(glob_ptr, new_fp);
    
    spin_unlock(&writer_lock);
    
    /* 方法3: 便捷的异步释放方式 */
    if (old_fp)
        kfree_rcu(old_fp, rcu);
    
    return 0;
}

/* 删除数据示例 */
void delete_function(void)
{
    struct foo *old_fp;
    
    spin_lock(&writer_lock);
    
    old_fp = rcu_dereference_protected(glob_ptr,
                                       lockdep_is_held(&writer_lock));
    if (!old_fp) {
        spin_unlock(&writer_lock);
        return;
    }
        
    /* 将指针设为 NULL */
    rcu_assign_pointer(glob_ptr, NULL);
    
    spin_unlock(&writer_lock);
    
    /* 等待宽限期结束后再释放内存 */
    synchronize_rcu();
    kfree(old_fp);
}

RCU 与其他机制的比较

同步机制	读开销	写开销	读写并发	可扩展性	适用场景
RCU	极低	中等	支持	极好	读多写少
读写锁	低	高	读读并发	一般	读多写少场景
自旋锁	中	中	不支持	较差	短时间保护
互斥锁	高	高	不支持	较差	需要阻塞处理场景

参考链接

1. RCU 文档
2. Linux 内核 RCU 代码