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RCU（2）- 使用方法

作者：沙漠之狐 发布于：2019-5-24 19:36 分类：内核同步机制

 

作者简介：余华兵，在网络通信行业工作十多年，负责IPv4协议栈、IPv6协议栈和Linux内核。在工作中看着2.6版本的专业书籍维护3.x和4.x版本的Linux内核，感觉不方便，于是自己分析4.x版本的Linux内核整理出一本书，书名叫《Linux内核深度解析》，2019年5月出版，希望对同行有帮助。

1．经典RCU

如果不关心使用的RCU是不可抢占RCU还是可抢占RCU，应该使用经典RCU的编程接口。最初的经典RCU是不可抢占RCU，后来实现了可抢占RCU，经典RCU的意思发生了变化：如果内核编译了可抢占RCU，那么经典RCU的编程接口被实现为可抢占RCU，否则被实现为不可抢占RCU。

读者使用函数rcu_read_lock()标记进入读端临界区，使用函数rcu_read_unlock()标记退出读端临界区。读端临界区可以嵌套。

在读端临界区里面应该使用宏rcu_dereference(p)访问指针，这个宏封装了数据依赖屏障，即只有阿尔法处理器需要的读内存屏障。

写者可以使用下面4个函数。

（1）使用函数synchronize_rcu()等待宽限期结束，即所有读者退出读端临界区，然后写者执行下一步操作。这个函数可能睡眠。

（2）使用函数synchronize_rcu_expedited()等待宽限期结束。和函数synchronize_rcu()的区别是：该函数会向其他处理器发送处理器间中断（Inter-Processor Interrupt，IPI）请求，强制宽限期快速结束。我们把强制快速结束的宽限期称为加速宽限期（expedited grace period），把没有强制快速结束的宽限期称为正常宽限期（normal grace period）。

（3）使用函数call_rcu()注册延后执行的回调函数，把回调函数添加到RCU回调函数链表中，立即返回，不会阻塞。函数原型如下：

void call_rcu(struct rcu_head *head, rcu_callback_t func);

struct callback_head {

     struct callback_head *next;

     void (*func)(struct callback_head *head);

} __attribute__((aligned(sizeof(void *))));

#define rcu_head callback_head

typedef void (*rcu_callback_t)(struct rcu_head *head);

（4）使用函数rcu_barrier()等待使用call_rcu注册的所有回调函数执行完。这个函数可能睡眠。

现在举例说明使用方法，假设链表节点和头节点如下：

typedef struct {

    struct list_head link;

    struct rcu_head rcu;

    int key;

    int val;

} test_entry;

struct list_head test_head;

成员“struct rcu_head rcu”：调用函数call_rcu把回调函数添加到RCU回调函数链表的时候需要使用。

读者访问链表的方法如下：

int test_read(int key, int *val_ptr)

{

     test_entry *entry;

     int found = 0;

     rcu_read_lock();

     list_for_each_entry_rcu(entry, &test_head, link) {

           if (entry->key == key) {

                *val_ptr = entry->val;

                found = 1;

                break;

           }

     }

     rcu_read_unlock();

     return found;

}

如果只有一个写者，写者不需要使用锁，添加、更新和删除3种操作的实现方法如下。

（1）写者添加一个节点到链表尾部。

void test_add_node(test_entry *entry)

{

     list_add_tail_rcu(&entry->link, &test_head);

}

（2）写者更新一个节点。

更新的过程是：首先把旧节点复制更新，然后使用新节点替换旧节点，最后使用函数call_rcu注册回调函数，延后释放旧节点。

int test_update_node(int key, int new_val)

{

     test_entry *entry, *new_entry;

     int ret;

     ret = -ENOENT;

     list_for_each_entry(entry, &test_head, link) {

           if (entry->key == key) {

                new_entry = kmalloc(sizeof(test_entry), GFP_ATOMIC);

                if (new_entry == NULL) {

                     ret = -ENOMEM;

                     break;

                }

                *new_entry = *entry;

                new_entry->val = new_val;

                list_replace_rcu(&entry->list, &new_entry->list);

                call_rcu(&entry->rcu, test_free_node);

                ret = 0;

                break;

           } 

     }

     return ret;

}

static void test_free_node(struct rcu_head *head)

{

     test_entry *entry = container_of(head, test_entry, rcu);

     kfree(entry);

}

（3）写者删除一个节点的第一种实现方法是：首先把节点从链表中删除，然后使用函数call_rcu注册回调函数，延后释放节点。

int test_del_node(int key)

{

     test_entry *entry;

     int found = 0;

     list_for_each_entry(entry, &test_head, link) {

           if (entry->key == key) {

                list_del_rcu(&entry->link);

                call_rcu(&entry->rcu, test_free_node);

                found = 1;

                break; 

           } 

     }

     return found;

}

static void test_free_node(struct rcu_head *head)

{

     test_entry *entry = container_of(head, test_entry, rcu);

     kfree(entry);

}

（4）写者删除一个节点的第二种实现方法是：首先把节点从链表中删除，然后使用函数synchronize_rcu()等待宽限期结束，最后释放节点。

int test_del_node(int key)

{

     test_entry *entry;

     int found = 0;

     list_for_each_entry(entry, &test_head, link) {

           if (entry->key == key) {

                list_del_rcu(&entry->link);

                synchronize_rcu();

                kfree(entry);

                found = 1;

                break; 

           } 

     }

     return found;

}

如果有多个写者，那么写者之间必须使用锁互斥，添加、更新和删除3种操作的实现方法如下。

（1）写者添加一个节点到链表尾部。假设使用自旋锁“test_lock”保护链表。

void test_add_node(test_entry *entry)

{

     spin_lock(&test_lock);

     list_add_tail_rcu(&entry->link, &test_head);

     spin_unlock(&test_lock);

}

（2）写者更新一个节点。

int test_update_node(int key, int new_val)

{

     test_entry *entry, *new_entry;

     int ret;

     ret = -ENOENT;

     spin_lock(&test_lock);

     list_for_each_entry(entry, &test_head, link) {

           if (entry->key == key) {

                new_entry = kmalloc(sizeof(test_entry), GFP_ATOMIC);

                if (new_entry == NULL) {

                     ret = -ENOMEM;

                     break;

                }

                *new_entry = *entry;

                new_entry->val = new_val;

                list_replace_rcu(&entry->list, &new_entry->list);

                call_rcu(&entry->rcu, test_free_node);

                ret = 0;

                break;

           } 

     }

     spin_unlock(&test_lock);

     return ret;

}

static void test_free_node(struct rcu_head *head)

{

     test_entry *entry = container_of(head, test_entry, rcu);

     kfree(entry);

}

（3）写者删除一个节点。

int test_del_node(int key)

{

     test_entry *entry;

     int found = 0;

     spin_lock(&test_lock);

     list_for_each_entry(entry, &test_head, link) {

           if (entry->key == key) {

                list_del_rcu(&entry->link);

                call_rcu(&entry->rcu, test_free_node);

                found = 1;

                break; 

           } 

     }

     spin_unlock(&test_lock);

     return found;

}

static void test_free_node(struct rcu_head *head)

{

     test_entry *entry = container_of(head, test_entry, rcu);

     kfree(entry);

}

2．不可抢占RCU

如果我们的需求是“不管内核是否编译了可抢占RCU，都要使用不可抢占RCU”，那么应该使用不可抢占RCU的专用编程接口。

读者使用函数rcu_read_lock_sched()标记进入读端临界区，使用函数rcu_read_unlock_ sched()标记退出读端临界区。读端临界区可以嵌套。

在读端临界区里面应该使用宏rcu_dereference_sched(p)访问指针，这个宏封装了数据依赖屏障，即只有阿尔法处理器需要的读内存屏障。

写者可以使用下面4个函数。

（1）使用函数synchronize_sched()等待宽限期结束，即所有读者退出读端临界区，然后写者执行下一步操作。这个函数可能睡眠。

（2）使用函数synchronize_sched_expedited()等待宽限期结束。和函数synchronize_sched()的区别是：该函数会向其他处理器发送处理器间中断请求，强制宽限期快速结束。

（3）使用函数call_rcu_sched()注册延后执行的回调函数，把回调函数添加到RCU回调函数链表中，立即返回，不会阻塞。

（4）使用函数rcu_barrier_sched()等待使用call_rcu_sched注册的所有回调函数执行完。这个函数可能睡眠。

3．加速版不可抢占RCU

加速版不可抢占RCU在软中断很多的情况下可以缩短宽限期。

读者使用函数rcu_read_lock_bh()标记进入读端临界区，使用函数rcu_read_unlock_bh()标记退出读端临界区。读端临界区可以嵌套。

在读端临界区里面应该使用宏rcu_dereference_bh(p)访问指针，这个宏封装了数据依赖屏障，即只有阿尔法处理器需要的读内存屏障。

写者可以使用下面4个函数。

（1）使用函数synchronize_rcu_bh()等待宽限期结束，即所有读者退出读端临界区，然后写者执行下一步操作。这个函数可能睡眠。

（2）使用函数synchronize_rcu_bh_expedited()等待宽限期结束。和函数synchronize_rcu_ bh()的区别是：该函数会向其他处理器发送处理器间中断请求，强制宽限期快速结束。

（3）使用函数call_rcu_bh注册延后执行的回调函数，把回调函数添加到RCU回调函数链表中，立即返回，不会阻塞。

（4）使用函数rcu_barrier_bh()等待使用call_rcu_bh注册的所有回调函数执行完。这个函数可能睡眠。

4．链表操作的RCU版本

RCU最常见的使用场合是保护大多数时候读的双向链表。内核实现了链表操作的RCU版本，这些操作封装了内存屏障。

内核实现了4种双向链表。

（1）链表“list_head”。

（2）链表“hlist”：和链表“list_head”相比，优势是头节点只有一个指针，节省内存。

（3）链表“hlist_nulls”。hlist_nulls是hlist的变体，区别是：链表hlist的结束符号是一个空指针；链表hlist_nulls的结束符号是“ (1UL | (((long)value) << 1)) ”，最低位为1，value是嵌入的值，比如散列桶的索引。

（4）链表“hlist_bl”。hlist_bl是hlist的变体，链表头节点的最低位作为基于位的自旋锁保护链表。

 

链表“list_head”常用的操作如下。

（1）list_for_each_entry_rcu(pos, head, member)

遍历链表，这个宏封装了只有阿尔法处理器需要的数据依赖屏障。

（2）void list_add_rcu(struct list_head *new, struct list_head *head)

把节点添加到链表首部。

（3）void list_add_tail_rcu(struct list_head *new, struct list_head *head)

把节点添加到链表尾部。

（4）void list_del_rcu(struct list_head *entry)

把节点从链表中删除。

（5）void list_replace_rcu(struct list_head *old, struct list_head *new)

用新节点替换旧节点。

 

链表“hlist”常用的操作如下。

（1）hlist_for_each_entry_rcu(pos, head, member)

遍历链表。

（2）void hlist_add_head_rcu(struct hlist_node *n, struct hlist_head *h)

把节点添加到链表首部。

（3）void hlist_add_tail_rcu(struct hlist_node *n, struct hlist_head *h)

把节点添加到链表尾部。

（4）void hlist_del_rcu(struct hlist_node *n)

把节点从链表中删除。

（5）void hlist_replace_rcu(struct hlist_node *old, struct hlist_node *new)

用新节点替换旧节点。

 

链表“hlist_nulls”常用的操作如下。

（1）hlist_nulls_for_each_entry_rcu(tpos, pos, head, member)

遍历链表。

（2）void hlist_nulls_add_head_rcu(struct hlist_nulls_node *n, struct hlist_nulls_head *h)

把节点添加到链表首部。

（3）void hlist_nulls_add_tail_rcu(struct hlist_nulls_node *n, struct hlist_nulls_head *h)

把节点添加到链表尾部。

（4）void hlist_nulls_del_rcu(struct hlist_nulls_node *n)

把节点从链表中删除。

 

链表“hlist_bl”常用的操作如下。

（1）hlist_bl_for_each_entry_rcu(tpos, pos, head, member)

遍历链表。

（2）void hlist_bl_add_head_rcu(struct hlist_bl_node *n, struct hlist_bl_head *h)

把节点添加到链表首部。

（3）void hlist_bl_del_rcu(struct hlist_bl_node *n)

把节点从链表中删除。

5．slab缓存支持RCU

创建slab缓存的时候，可以使用标志SLAB_TYPESAFE_BY_RCU（旧的名称是SLAB_ DESTROY_BY_RCU），延迟释放slab页到RCU宽限期结束，例如：

struct kmem_cache *anon_vma_cachep;

anon_vma_cachep = kmem_cache_create("anon_vma", sizeof(struct anon_vma),

                   0, SLAB_TYPESAFE_BY_RCU|SLAB_PANIC|SLAB_ACCOUNT,

                   anon_vma_ctor);

注意：标志SLAB_TYPESAFE_BY_RCU只会延迟释放slab页到RCU宽限期结束，但是不会延迟对象的释放。当调用函数kmem_cache_free()释放对象时，对象的内存被释放了，可能立即被分配给另一个对象。如果使用散列表，新的对象可能加入不同的散列桶。所以查找对象的时候一定要小心。

 

针对使用函数kmalloc()从通用slab缓存分配的对象，提供了函数“kfree_rcu(ptr, rcu_ head)”来延迟释放对象到RCU宽限期结束，参数rcu_head是指针ptr指向的结构体里面类型为“struct rcu_head”的成员的名称。例如：

typedef struct {

    struct list_head link;

    struct rcu_head rcu;

    int key;

    int val;

} test_entry;

test_entry *p;

p = kmalloc(sizeof(test_entry), GFP_KERNEL);

…

kfree_rcu(p, rcu);

 

举例说明，假设对象从设置了标志SLAB_TYPESAFE_BY_RCU的slab缓存分配内存，对象加入散列表，散列表如下：

struct hlist_nulls_head table[TABLE_SIZE];

初始化散列桶的时候，把散列桶索引嵌入到链表结束符号中，其代码如下：

for (i = 0; i < TABLE_SIZE; i++) {

     INIT_HLIST_NULLS_HEAD(&table[i], i);

}

查找对象的算法如下：

1      head = &table[slot];

2      rcu_read_lock();

3   begin:

4      hlist_nulls_for_each_entry_rcu(obj, node, head, hash_node) {

5         if (obj->key == key) {

6            if (!atomic_inc_not_zero(obj->refcnt)) {

7               goto begin;

8            }

9   

10           if (obj->key != key) {

11               put_ref(obj);

12               goto begin;

13            }

14            goto out;

15     } 

16   

17     if (get_nulls_value(node) != slot) {

18        goto begin;

19     }

20     obj = NULL;

21   

22   out:

23      rcu_read_unlock();

第6～8行代码，找到对象以后，如果引用计数不是0，把引用计数加一；如果引用计数是0，表示对象已经被释放，应该在散列桶中重新查找对象。

第10～13行代码，把引用计数加1以后，需要重新比较关键字。如果关键字不同，说明对象的内存被释放以后立即分配给新的对象，应该在散列桶中重新查找对象。

第17～19行代码，如果遍历完一个散列桶，没有找到对象，那么需要比较链表结束符号中嵌入的散列桶索引。如果不同，说明对象的内存被释放以后立即分配给新的对象，新对象的散列值不同，加入了不同的散列桶。需要在散列桶中重新查找对象。

插入对象的算法如下：

obj = kmem_cache_alloc(cachep);

if (obj == NULL) {

     return -ENOMEM;

}

obj->key = key;

atomic_set(&obj->refcnt, 1);

lock_chain(); /* 通常是spin_lock() */

hlist_nulls_add_head_rcu(&obj->hash_node, &table[slot]);

unlock_chain(); /* 通常是spin_unlock() */

删除对象的算法如下：

if (atomic_dec_and_test(obj->refcnt)) {

    lock_chain(); /* 通常是spin_lock() */

    hlist_nulls_del_rcu(&obj->hash_node);

    unlock_chain(); /* 通常是spin_unlock() */

    kmem_cache_free(cachep, obj);

}

标签: 无锁编程

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