RCU_BJ详解

一、RCU简介

Read-Copy-Update（RCU）是一种应用在并发多线程环境下的读写锁算法。相较于传统的读写锁，RCU提供了更佳的并发度，提高了读取操作的效率，并降低了写入操作的开销。

在操作系统中，RCU是由Linux内核开创性地引入并应用的。自Linux 2.5起，RCU就已经在内核中得到了应用。随着处理器核数的增加，RCU优势已经日益显著。

RCU实现一个简单的思想是：读者和写者之间并行，读者只需要等待写者完成更新，而不是像传统的读写锁要求等待读锁或写锁时相互竞争。当读者正在读取访问共享资源时，写者会从旧数据开始写入更新的数据到一个新的内存块，而不会覆盖旧内存块中的数据。

二、RCU基本操作

RCU基本原理是在写入时暂停读取，使所有读者可以在不安排竞争的情况下读取共享数据。但在读取期间执行写操作时，需要确保读取操作始终引用有效数据或完全忽略写入结果，这是通过使用一组RCU API完成的。

1. rcu_read_lock()

void rcu_read_lock(void);

rcu_read_lock用于以RCU方式添加执行读取操作所需的读取保护。RCU读取保护是RCU读取地图中的一个进程计数器，类似于Linux中递归读取锁。调用rcu_read_lock将该进程置于正在进行RCU读取的进程列表中，并递增RCU读取地图上的进程计数器。rcu_read_lock不能被递归调用。

2. rcu_read_unlock()

void rcu_read_unlock(void);

rcu_read_unlock在执行RCU读操作完成后释放RCU读取保护。这将递减RCU读取地图中的进程计数器，以指示该进程已完成RCU读取并且已不再使用共享数据。调用rcu_read_unlock不能被忘记或递归调用。

三、RCU_BJ的使用

RCU_BJ是一种特定于Linux内核的RCU实现，它实现了Bhattacharya、Jonathan和Kashyap的发布机制。RCU_BJ提供RCU API，可用于控制在读取时使用RCU；不需要任何其他锁定机制。

1. rcu_barrier()

void rcu_barrier(void);

rcu_barrier用于确保任何RCU读取保护都已释放或等待。该功能等待后台工作作业完成，以确保所有之前执行的rcu_read_unlock已经完成且rcu_read_lock未再加锁。

2. rcu_assign_pointer()

void rcu_assign_pointer(datap, ptr);

rcu_assign_pointer用于将指针分配给保护数据。此函数使指针可以通过发布以进行对此数据的访问。它将ptr添加到RCU保护结构中，并递增计数器，以指示ptr的替换已发布。如果在此数据的RCU保护期间发布ptr，则将其自动替换为更具体的数据。如果在此数据的RCU保护期间发布了较旧的指针，则为了安全而不是效率原因，可以从保护期内读取它们，但无法保证它们总是访问有效的指向数据的指针。

3. rcu_dereference()

void *rcu_dereference(pointer);

rcu_dereference用于在RCU保护期间引用数据。如果在RCU保护期间不更改指针，则rcu_dereference返回这个指针。如果在RCU保护期间更改指针并且已发布了该更改，则返回新指针。如果在保护期间曾发布了更具体的数据，则返回该数据。

4.例子

struct my_datap { int a; int b; };
DEFINE_SPINLOCK(datap_lock);
struct my_datap *data __read_mostly;

void foo(void)
{
    struct my_datap *newp = kmalloc(sizeof(*newp), GFP_KERNEL);
    if (!newp)
        return;
    spin_lock(&datap_lock);
    *newp = *data;
    rcu_assign_pointer(data, newp);
    spin_unlock(&datap_lock);
    kfree_rcu(data, rcu);
}

void bar(void)
{
    int sum = 0;
    struct my_datap *dp = rcu_dereference(data);
    if (dp)
        sum = dp->a + dp->b;
    printk("Sum: %d\n", sum);
    rcu_barrier();  /*等待访问完成*/
}

在上述示例中，foo函数用于为数据指针data分配新内存，并使用rcu_assign_pointer发布内存分配。另一方面，bar函数使用rcu_dereference用于读取数据指针。最后，rcu_barrier用于确保RCU访问已经完成。此时，新的数据指向新分配的内存。

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