linux RCU技术

RCU(Read-Copy-Update)是Linux内核中的一种同步机制,用于在多核处理器环境中实现无锁读取和延迟更新。Linux RCU(Read-Copy-Update)技术通过一种高效的同步机制来处理并发冲突,确保在多核环境中读者和写者对共享数据的访问能够安全、高效地进行。

RCU的核心思想是通过无锁读取延迟更新来避免并发冲突:

  • 无锁读取:读者(读取线程)可以无锁访问共享数据,避免了读者之间的锁竞争。
  • 延迟更新:写者(更新线程)通过创建共享数据的副本进行修改,并在所有读者完成读取后,才将新数据替换旧数据。

RCU如何处理并发冲突

RCU通过以下机制处理并发冲突:

宽限期(Grace Period)
  • 写者在更新共享数据时,需要等待一个宽限期。宽限期是指所有读者都完成对旧数据的访问的时间段。
  • 在宽限期内,写者会阻塞,直到确认没有读者正在访问旧数据。
  • 宽限期结束后,写者才会更新共享数据的指针,指向新数据,并释放旧数据。
  • 写者在完成数据更新后,通过发布-订阅机制将新数据指针替换旧数据指针。
  • synchronize_rcu()函数是关键,它确保在更新数据后,所有的读者都已经看到了新数据或者已经完成了对旧数据的访问。
  • 这意味着在synchronize_rcu()返回后,旧数据不再被任何读者访问,可以安全地释放
  • 这一机制通过内存屏障(Memory Barrier)确保指针更新的原子性,防止读者读取到不完整或未初始化的数据310。
  • 在RCU中,写者不会立即删除旧数据,而是等待所有读者完成读取后,才通过垃圾回收机制释放旧数据。
  • 这种机制确保了读者在读取过程中始终访问到有效的数据,即使数据正在被更新39。
  • 读者在访问数据时,不需要加锁,可以并发进行读取操作。
  • 写者在更新数据时,会先复制一份旧数据,然后在副本上进行修改。写者不会直接修改共享数据,而是等待所有读者完成读取后,才替换旧数据36。
  • 读者多而写者少的场景:例如内核数据结构、网络协议栈等。
  • 需要高效并发读取的场景:RCU的无锁读取特性能够显著提升读取性能。
  • 对低延迟要求较高的场景:由于读取操作无需加锁,RCU能够提供极低的读取延迟45。

RCU的优势与局限性

  • 无锁读取:读者无需加锁即可访问数据,避免了锁竞争。
  • 延迟更新:写者不会阻塞读者,提高了并发性能。
  • 高扩展性:在多核处理器环境中表现出色,能够有效利用多核性能。
  • 内存开销:写者需要维护旧数据的副本,增加了内存使用。
  • 延迟更新开销:写者需要等待宽限期,可能导致一定的延迟。

RCU读者和写者代码实现举例

#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/rcupdate.h>

#include <linux/slab.h>

struct mydata {

int value;

struct rcu_head rcu_head;

};

static struct mydata *gbldata = NULL;

// 写者函数:更新共享数据

void writer(int new_value) {

struct mydata *new_data;

// 分配新的数据结构

new_data = kmalloc(sizeof(struct mydata), GFP_KERNEL);

if (!new_data) {

printk(KERN_ERR "Failed to allocate memory\n");

return;

}

// 初始化新数据

new_data->value = new_value;

// 更新全局指针,使用rcu_assign_pointer确保原子性

rcu_assign_pointer(gbldata, new_data);

// 等待宽限期,确保所有读者都已经看到了新数据

synchronize_rcu();

// 宽限期结束后,可以安全地释放旧数据

if (new_data != gbldata) {

kfree_rcu(gbldata, rcu_head);

}

}

// 模块初始化函数

static int __init myrcu_init(void) {

printk(KERN_INFO "RCU example module init\n");

writer(10); // 初始写入

return 0;

}

// 模块清理函数

static void __exit myrcu_exit(void) {

printk(KERN_INFO "RCU example module exit\n");

writer(NULL); // 清理时写入NULL

}

module_init(myrcu_init);

module_exit(myrcu_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("Your Name");

MODULE_DESCRIPTION("A simple RCU example");

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