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Linux內核RCU(Read Copy Update)鎖簡析

前面寫過一篇關於Linux RCU鎖的文章《RCU鎖在Linux內核的演變》,現在我承認,那個時候我雖然懂了RCU鎖,但是我沒有能力用一種非常簡單的描述把Linux的實現給展示出來,有道是你能給別人用你自己的方式非常簡潔地描述清楚,你才是真正的精通它,否則,無異於背誦。換個說法,如果你在被面試,在短時間內靠嘴說給面試官,且他還要能聽明白,就說明自己真的懂了,這種時候,是不會給你機會分析源代碼的,也不可能讓你背誦源代碼。

近期又碰到了這個話題,我不能自诩自己對RCU鎖是多麼精通,但是起碼,和前面這篇相比,我確實有所進步,因此在這個台風肆虐的次日,我嘗試著用我自己的方式描述一下Linux對RCU鎖的一種實現方式,作為《RCU鎖在Linux內核的演變》這篇文章的補充。本文不配圖,沒代碼,只是文字。

聲明:如果你還不知道RCU鎖是什麼,請自行baidu,本文不再贅述概念,但是這也就等於說,如果我自己有一天忘記了RCU,我也不能指望從本文中得到任何幫助,我總是這樣,不是嗎?能力在忘不在記,得其義而忘其形。

RCU要素

RCU鎖的要素包括

讀標志

如果一個Reader企圖占據一把RCU鎖,它是不需要付出任何代價的,只需要設置一個標志,讓外界知道有Reader在占據這把RCU鎖,多個Reader可以共同持有一把RCU鎖。

寫時拷貝

如果有一個Write企圖更新RCU鎖所保護的數據,那麼它會首先查看該RCU鎖的讀標志,如果有該標志,說明有最少一個Reader持有了該RCU鎖,它需要對原始數據make a copy,寫這個副本並將更新過的副本保存在某處,等待時機用該副本更新原始數據。

更新時機

這個時機就是用副本更新原始數據的時間點,這個時間點如何確定是RCU鎖實現的算法核心,它直接可以確定所有的數據結構。確切來講,Writer必須waitting for all readers leaving,方可Update原始數據,問題是,它是怎麼知道所有的Reader都離開了呢?

Linux內核對RCU鎖的幾種實現

1.原始實現-利用搶占禁止

Linux內核於2.6內核引入了RCU鎖的概念,在第一個版本中,它利用了搶占禁止的方式來標志有Reader持有RCU鎖,這意味著期間不能發生task切換(指的是task_struct所代表的sched entity切換)。那麼所有Reader均已經釋放RCU鎖的標志就是,task切換了,因此很簡單,用副本Update原始數據的時機就是task切換時。

所有的Write會將自己寫的副本掛在一個list上,在task切換的時候會touch這個list,如果該list非空,則遍歷每一個元素,Update原始數據。

評價[該部分與實現無關,純形而上的,可以忽略]

這就是第一版的原始實現,它是否合理姑且不論,確實,它可以工作。但是:

a.它這種實現是否會影響調度子系統的時延

b.由於禁用搶占,搶占粒度變粗,對交互性是否會有影響

c.對CPU間的task負載均衡的影響呢

我們發現,由於RCU的這個實現不是靠自身機制實現的,它不可避免地會影響到系統的核心機制,比如調度,負載均衡等,這意味著它不能長久,也無法經歷復雜的演變,因為隨著它在這條路上的逐步演進,對系統核心機制的影響將越來越大,故而,它必須從系統層面剝離出來。確實,它也是這麼做的,這就是第二代RCU實現-可搶占RCU鎖。

2.新實現-利用階段計數器

需要一種更加有效的方式來標志Reader已經持有鎖-第一要素讀標志,並且這個標志要盡可能精確,且不能使用系統核心的機制,要做成完全封閉的閉環,不依靠外部當然也就不會影響外部。

純天然的想法就是使用計數器,每一把RCU持有一個Reader計數器,一旦有Reader前來持鎖,只需要一個原子操作,將該計數器加1即可,Writer寫數據時,發現計數器不是0就意味著需要make a copy了-第二要素寫時拷貝(COW-Copy On Write)。現在的問題是第三要素,Writer怎麼知道所有的Reade都已經將鎖釋放了呢??

純天然的想法就是在某個Reader釋放鎖的時候,計數器減1,當計數器重新變為0的時候,這就是副本更新原始數據的時機。確實是這樣,但是按照持鎖和解鎖的分布看,它們應該是均等的,這意味著計數器的值會在一個期望值上下波動,變成0的希望及其渺茫,因此需要引入另一個參量,即階段。

將唯一的那個RCU計數器分裂為兩個計數器:old readers和new readers。

太初,任選某一個時刻,將RCU鎖當前的計數器(稱為原始計數器)值復制一份存入old readers,計數器清0,原始計數器改稱為new readers。復制結束的當下,new readers計數器為0,old readers計數器為現階段持有鎖的reader的數量。並且持鎖者task(即task_struct)與RCU鎖之間保持關聯(難道不是一個task_struct字段可以搞定的嗎?),task永遠知道自己是new reader還是old reader。

此時,就可以明確定義lock和unlock的行為了:

lock--設置自己的task為new reader,將RCU的new reader計數器加1。

unlock--獲取自己的task是new reader還是old reader,將自己所在的reader計數器減1。

此時很明確的事實是,old reader計數器總是會遞減而不會遞增,而new reader不但會遞增也會遞減,這樣,選擇Update的時機也很明確了,那就是,old reader計數器變為0,這個時刻,就該將所有的副本覆蓋原始數據了。

現在總結所有的三個要素:

讀標志

為該RCU鎖的new reader計數器加1

寫時拷貝

如果該RCU鎖的old reader計數器不為0,則執行寫時復制。

更新時機

每次unlock操作,都會將本task的reader計數器(或者是new reader,或者是old reader)減1,一旦該RCU鎖的old reader計數器變成0,則執行所有的Update操作。

評價[該部分與實現無關,純形而上的,可以忽略]

持有RCU鎖的reader,可以睡眠,可以被搶占,可以調度到別的CPU上,完全是封閉的,和系統其它的機制無關。然而,我一直在思考一個更好的實現,只因瘋子不給力!!

3.RCU Tree實現(實在是沒有2好)

後續補充。

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