RCU（Read-Copy-Update）是一种用于多处理器系统的同步机制，旨在提高并发读操作的性能。RCU的核心思想是通过延迟写操作的回收来允许多个读操作同时进行，而不需要使用传统的锁机制。RCU主要用于读多写少的场景，特别是在内核编程中广泛应用。
RCU的工作原理
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读操作：读操作不需要任何锁，可以直接访问数据结构。读操作在开始时会标记一个“读侧临界区”（read-side critical section），并在结束时解除标记。
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写操作：写操作首先复制一份数据结构的副本，然后在副本上进行修改。修改完成后，写操作会等待所有已存在的读操作完成（即等待所有读侧临界区结束），然后更新指针，使新数据结构生效。
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回收旧数据：在确保没有读操作访问旧数据结构后，旧数据结构可以被安全地回收。
RCU的优点
- 高并发性：读操作不需要锁，因此可以同时进行多个读操作，大大提高了并发性能。
- 低开销：相比于传统的锁机制，RCU的读操作开销非常低，几乎可以忽略不计。
- 适用性广：RCU适用于读多写少的场景，特别是在内核中，许多数据结构都是读多写少的。
RCU的缺点
- 复杂性：RCU的实现和使用相对复杂，需要仔细处理读侧临界区和写操作的同步。
- 延迟：写操作需要等待所有读操作完成，这可能会引入一定的延迟。
案例：Linux内核中的RCU
在Linux内核中，RCU被广泛用于各种数据结构的同步。例如，内核中的链表（list）和哈希表（hlist）都支持RCU操作。
案例1：RCU链表操作
struct foo {
int a;
struct rcu_head rcu;
};
void foo_reader(void) {
struct foo *fp;
rcu_read_lock();
fp = rcu_dereference(gbl_foo);
if (fp != NULL) {
// 读取数据
int a = fp->a;
}
rcu_read_unlock();
}
void foo_writer(void) {
struct foo *new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
new_fp->a = 42;
struct foo *old_fp;
old_fp = xchg(&gbl_foo, new_fp);
if (old_fp) {
call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
}
}
void foo_reclaim(struct rcu_head *rh) {
struct foo *fp = container_of(rh, struct foo, rcu);
kfree(fp);
}
在这个例子中，foo_reader函数通过RCU机制读取全局变量gbl_foo的数据，而foo_writer函数则更新gbl_foo的值，并在旧数据不再被使用后调用foo_reclaim函数回收旧数据。
案例2：RCU哈希表操作
struct hlist_head *gbl_hlist;
void hlist_reader(void) {
struct hlist_node *hn;
rcu_read_lock();
hlist_for_each_entry_rcu(hn, gbl_hlist, node) {
// 读取数据
struct foo *fp = hlist_entry(hn, struct foo, node);
int a = fp->a;
}
rcu_read_unlock();
}
void hlist_writer(void) {
struct foo *new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
new_fp->a = 42;
hlist_add_head_rcu(&new_fp->node, gbl_hlist);
}
在这个例子中，hlist_reader函数通过RCU机制遍历全局哈希表gbl_hlist，而hlist_writer函数则向哈希表中添加新数据。
总结
RCU是一种高效的同步机制，特别适用于读多写少的场景。通过延迟写操作的回收，RCU允许多个读操作同时进行，从而提高了系统的并发性能。然而，RCU的使用和实现相对复杂，需要仔细处理读侧临界区和写操作的同步。