简介
RCU（Read-Copy Update）是数据同步的一种方式，在当前的Linux内核中发挥着重要的作用。RCU主要针对的数据对象是链表，目的是提高遍历读取数据的效率，为了达到目的使用RCU机制读取数据的时候不对链表进行耗时的加锁操作。这样在同一时间可以有多个线程同时读取该链表，并且允许一个线程对链表进行修改（修改的时候，需要加锁）。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。
Linux内核源码当中,关于RCU的文档比较齐全，你可以在 /Documentation/RCU/ 目录下找到这些文件。Paul E. McKenney 是内核中RCU源码的主要实现者，他也写了很多RCU方面的文章。他把这些文章和一些关于RCU的论文的链接整理到了一起。http://www2.rdrop.com/users/paulmck/RCU/
在RCU的实现过程中，我们主要解决以下问题：
1，在读取过程中，另外一个线程删除了一个节点。删除线程可以把这个节点从链表中移除，但它不能直接销毁这个节点，必须等到所有的读取线程读取完成以后，才进行销毁操作。RCU中把这个过程称为宽限期（Grace period）。
2，在读取过程中，另外一个线程插入了一个新节点，而读线程读到了这个节点，那么需要保证读到的这个节点是完整的。这里涉及到了发布-订阅机制（Publish-Subscribe Mechanism）。
3， 保证读取链表的完整性。新增或者删除一个节点，不至于导致遍历一个链表从中间断开。但是RCU并不保证一定能读到新增的节点或者不读到要被删除的节点。
宽限期
通过例子，方便理解这个内容。以下例子修改于Paul的文章。
struct foo { int a; char b; long c; }; DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex); struct foo *gbl_foo; void foo_read (void) { foo *fp = gbl_foo; if ( fp != NULL ) dosomething(fp->a, fp->b , fp->c ); } void foo_update( foo* new_fp ) { spin_lock(&foo_mutex); foo *old_fp = gbl_foo; gbl_foo = new_fp; spin_unlock(&foo_mutex); kfee(old_fp); } struct foo { int a; char b; long c; }; DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex); struct foo *gbl_foo; void foo_read (void) { foo *fp = gbl_foo; if ( fp != NULL ) dosomething(fp->a, fp->b , fp->c ); } void foo_update( foo* new_fp ) { spin_lock(&foo_mutex); foo *old_fp = gbl_foo; gbl_foo = new_fp; spin_unlock(&foo_mutex); kfee(old_fp); } |
如上的程序，是针对于全局变量gbl_foo的操作。假设以下场景。有两个线程同时运行 foo_ read和foo_update的时候，当foo_ read执行完赋值操作后，线程发生切换；此时另一个线程开始执行foo_update并执行完成。当foo_ read运行的进程切换回来后，运行dosomething 的时候，fp已经被删除，这将对系统造成危害。为了防止此类事件的发生，RCU里增加了一个新的概念叫宽限期（Grace period）。如下图所示：
图中每行代表一个线程，最下面的一行是删除线程，当它执行完删除操作后，线程进入了宽限期。宽限期的意义是，在一个删除动作发生后，它必须等待所有在宽限期开始前已经开始的读线程结束，才可以进行销毁操作。这样做的原因是这些线程有可能读到了要删除的元素。图中的宽限期必须等待1和2结束；而读线程5在宽限期开始前已经结束，不需要考虑；而3,4,6也不需要考虑，因为在宽限期结束后开始后的线程不可能读到已删除的元素。为此RCU机制提供了相应的API来实现这个功能。
void foo_read(void) { rcu_read_lock(); foo *fp = gbl_foo; if ( fp != NULL ) dosomething(fp->a,fp->b,fp->c); rcu_read_unlock(); } void foo_update( foo* new_fp ) { spin_lock(&foo_mutex); foo *old_fp = gbl_foo; gbl_foo = new_fp; spin_unlock(&foo_mutex); synchronize_rcu(); kfee(old_fp); } void foo_read(void) { rcu_read_lock(); foo *fp = gbl_foo; if ( fp != NULL ) dosomething(fp->a,fp->b,fp->c); rcu_read_unlock(); } void foo_update( foo* new_fp ) { spin_lock(&foo_mutex); foo *old_fp = gbl_foo; gbl_foo = new_fp; spin_unlock(&foo_mutex); synchronize_rcu(); kfee(old_fp); } |
其中foo_read中增加了rcu_read_lock和rcu_read_unlock，这两个函数用来标记一个RCU读过程的开始和结束。其实作用就是帮助检测宽限期是否结束。foo_update增加了一个函数synchronize_rcu()，调用该函数意味着一个宽限期的开始，而直到宽限期结束，该函数才会返回。我们再对比着图看一看，线程1和2，在synchronize_rcu之前可能得到了旧的gbl_foo，也就是foo_update中的old_fp，如果不等它们运行结束，就调用kfee(old_fp)，极有可能造成系统崩溃。而3,4,6在synchronize_rcu之后运行，此时它们已经不可能得到old_fp，此次的kfee将不对它们产生影响。
宽限期是RCU实现中最复杂的部分,原因是在提高读数据性能的同时，删除数据的性能也不能太差。
订阅——发布机制
当前使用的编译器大多会对代码做一定程度的优化，CPU也会对执行指令做一些优化调整,目的是提高代码的执行效率，但这样的优化，有时候会带来不期望的结果。如例：
void foo_update( foo* new_fp ) { spin_lock(&foo_mutex); foo *old_fp = gbl_foo; new_fp->a = 1; new_fp->b = ‘b’; new_fp->c = 100; gbl_foo = new_fp; spin_unlock(&foo_mutex); synchronize_rcu(); kfee(old_fp); } void foo_update( foo* new_fp ) { spin_lock(&foo_mutex); foo *old_fp = gbl_foo; new_fp->a = 1; new_fp->b = ‘b’; new_fp->c = 100; gbl_foo = new_fp; spin_unlock(&foo_mutex); synchronize_rcu(); kfee(old_fp); } |
