五、RCU 典型应用
在 linux 2.6 内核中，RCU 被内核使用的越来越广泛。下面是在最新的 2.6.12内核中搜索得到的RCU使用情况统计表。
表 1 rcu_read_lock 的使用情况统计
从以上统计结果可以看出，RCU已经在网络驱动层、网络核心层、IPC、dcache、内存设备层、软RAID层、系统调用审计和SELinux中使用。从所有RCU API的使用统计汇总（表 10），不难看出，RCU已经是一个非常重要的内核锁机制。
表 10 所有RCU API使用情况总汇
因此，如何正确使用 RCU 对于内核开发者而言非常重要。
下面部分将就 RCU 的几种典型应用情况详细讲解。
1．只有增加和删除的链表操作
在这种应用情况下，绝大部分是对链表的遍历，即读操作，而很少出现的写操作只有增加或删除链表项，并没有对链表项的修改操作，这种情况使用RCU非常容易，从rwlock转换成RCU非常自然。路由表的维护就是这种情况的典型应用，对路由表的操作，绝大部分是路由表查询，而对路由表的写操作也仅仅是增加或删除，因此使用RCU替换原来的rwlock顺理成章。系统调用审计也是这样的情况。
这是一段使用rwlock的系统调用审计部分的读端代码：
static enum audit_state audit_filter_task(struct task_struct *tsk) { struct audit_entry *e; enum audit_state state; read_lock(&auditsc_lock); /* Note: audit_netlink_sem held by caller. */ list_for_each_entry(e, &audit_tsklist, list) { if (audit_filter_rules(tsk, &e->rule, NULL, &state)) { read_unlock(&auditsc_lock); return state; } } read_unlock(&auditsc_lock); return AUDIT_BUILD_CONTEXT; }
使用RCU后将变成：
static enum audit_state audit_filter_task(struct task_struct *tsk) { struct audit_entry *e; enum audit_state state; rcu_read_lock(); /* Note: audit_netlink_sem held by caller. */ list_for_each_entry_rcu(e, &audit_tsklist, list) { if (audit_filter_rules(tsk, &e->rule, NULL, &state)) { rcu_read_unlock(); return state; } } rcu_read_unlock(); return AUDIT_BUILD_CONTEXT; }
这种转换非常直接，使用rcu_read_lock和rcu_read_unlock分别替换read_lock和read_unlock，链表遍历函数使用_rcu版本替换就可以了。
使用rwlock的写端代码：
static inline int audit_del_rule(struct audit_rule *rule, struct list_head *list) { struct audit_entry *e; write_lock(&auditsc_lock); list_for_each_entry(e, list, list) { if (!audit_compare_rule(rule, &e->rule)) { list_del(&e->list); write_unlock(&auditsc_lock); return 0; } } write_unlock(&auditsc_lock); return -EFAULT; /* No matching rule */ } static inline int audit_add_rule(struct audit_entry *entry, struct list_head *list) { write_lock(&auditsc_lock); if (entry->rule.flags & AUDIT_PREPEND) { entry->rule.flags &= ~AUDIT_PREPEND; list_add(&entry->list, list); } else { list_add_tail(&entry->list, list); } write_unlock(&auditsc_lock); return 0; }
使用RCU后写端代码变成为：
static inline int audit_del_rule(struct audit_rule *rule, struct list_head *list) { struct audit_entry *e; /* Do not use the _rcu iterator here, since this is the only * deletion routine. */ list_for_each_entry(e, list, list) { if (!audit_compare_rule(rule, &e->rule)) { list_del_rcu(&e->list); call_rcu(&e->rcu, audit_free_rule, e); return 0; } } return -EFAULT; /* No matching rule */ } static inline int audit_add_rule(struct audit_entry *entry, struct list_head *list) { if (entry->rule.flags & AUDIT_PREPEND) { entry->rule.flags &= ~AUDIT_PREPEND; list_add_rcu(&entry->list, list); } else { list_add_tail_rcu(&entry->list, list); } return 0; }
对于链表删除操作，list_del替换为list_del_rcu和call_rcu，这是因为被删除的链表项可能还在被别的读者引用，所以不能立即删除，必须等到所有读者经历一个quiescent state才可以删除。另外，list_for_each_entry并没有被替换为list_for_each_entry_rcu，这是因为，只有一个写者在做链表删除操作，因此没有必要使用_rcu版本。
通常情况下，write_lock和write_unlock应当分别替换成spin_lock和spin_unlock，但是对于只是对链表进行增加和删除操作而且只有一个写者的写端，在使用了_rcu版本的链表操作API后，rwlock可以完全消除，不需要spinlock来同步读者的访问。对于上面的例子，由于已经有audit_netlink_sem被调用者保持，所以spinlock就没有必要了。
这种情况允许修改结果延后一定时间才可见，而且写者对链表仅仅做增加和删除操作，所以转换成使用RCU非常容易。
2．写端需要对链表条目进行修改操作
如果写者需要对链表条目进行修改，那么就需要首先拷贝要修改的条目，然后修改条目的拷贝，等修改完毕后，再使用条目拷贝取代要修改的条目，要修改条目将被在经历一个grace period后安全删除。
对于系统调用审计代码，并没有这种情况。这里假设有修改的情况，那么使用rwlock的修改代码应当如下：
static inline int audit_upd_rule(struct audit_rule *rule, struct list_head *list, __u32 newaction, __u32 newfield_count) { struct audit_entry *e; struct audit_newentry *ne; write_lock(&auditsc_lock); /* Note: audit_netlink_sem held by caller. */ list_for_each_entry(e, list, list) { if (!audit_compare_rule(rule, &e->rule)) { e->rule.action = newaction; e->rule.file_count = newfield_count; write_unlock(&auditsc_lock); return 0; } } write_unlock(&auditsc_lock); return -EFAULT; /* No matching rule */ }
如果使用RCU，修改代码应当为；
static inline int audit_upd_rule(struct audit_rule *rule, struct list_head *list, __u32 newaction, __u32 newfield_count) { struct audit_entry *e; struct audit_newentry *ne; list_for_each_entry(e, list, list) { if (!audit_compare_rule(rule, &e->rule)) { ne = kmalloc(sizeof(*entry), GFP_ATOMIC); if (ne == NULL) return -ENOMEM; audit_copy_rule(&ne->rule, &e->rule); ne->rule.action = newaction; ne->rule.file_count = newfield_count; list_replace_rcu(e, ne); call_rcu(&e->rcu, audit_free_rule, e); return 0; } } return -EFAULT; /* No matching rule */ }
3．修改操作立即可见
前面两种情况，读者能够容忍修改可以在一段时间后看到，也就说读者在修改后某一时间段内，仍然看到的是原来的数据。在很多情况下，读者不能容忍看到旧的数据，这种情况下，需要使用一些新措施，如System V IPC，它在每一个链表条目中增加了一个deleted字段，标记该字段是否删除，如果删除了，就设置为真，否则设置为假，当代码在遍历链表时，核对每一个条目的deleted字段，如果为真，就认为它是不存在的。
还是以系统调用审计代码为例，如果它不能容忍旧数据，那么，读端代码应该修改为：
static enum audit_state audit_filter_task(struct task_struct *tsk) { struct audit_entry *e; enum audit_state state; rcu_read_lock(); list_for_each_entry_rcu(e, &audit_tsklist, list) { if (audit_filter_rules(tsk, &e->rule, NULL, &state)) { spin_lock(&e->lock); if (e->deleted) { spin_unlock(&e->lock); rcu_read_unlock(); return AUDIT_BUILD_CONTEXT; } rcu_read_unlock(); return state; } } rcu_read_unlock(); return AUDIT_BUILD_CONTEXT; }
注意，对于这种情况，每一个链表条目都需要一个spinlock保护，因为删除操作将修改条目的deleted标志。此外，该函数如果搜索到条目，返回时应当保持该条目的锁，因为只有这样，才能看到新的修改的数据，否则，仍然可能看到就的数据。
写端的删除操作将变成：
static inline int audit_del_rule(struct audit_rule *rule, struct list_head *list) { struct audit_entry *e; /* Do not use the _rcu iterator here, since this is the only * deletion routine. */ list_for_each_entry(e, list, list) { if (!audit_compare_rule(rule, &e->rule)) { spin_lock(&e->lock); list_del_rcu(&e->list); e->deleted = 1; spin_unlock(&e->lock); call_rcu(&e->rcu, audit_free_rule, e); return 0; } } return -EFAULT; /* No matching rule */ }
删除条目时，需要标记该条目为已删除。这样读者就可以通过该标志立即得知条目是否已经删除。
六、小结RCU是2.6内核引入的新的锁机制，在绝大部分为读而只有极少部分为写的情况下，它是非常高效的，因此在路由表维护、系统调用审计、SELinux的AVC、dcache和IPC等代码部分中，使用它来取代rwlock来获得更高的性能。但是，它也有缺点，延后的删除或释放将占用一些内存，尤其是对嵌入式系统，这可能是非常昂贵的内存开销。此外，写者的开销比较大，尤其是对于那些无法容忍旧数据的情况以及不只一个写者的情况，写者需要spinlock或其他的锁机制来与其他写者同步。
在作者先前的两篇文章"Linux 实时技术与典型实现分析, 第 1 部分: 介绍"和"Linux 实时技术与典型实现分析, 第 2 部分: Ingo Molnar 的实时补丁"中，Ingo Molnar的实时实现要求RCU读端临界区可抢占，而RCU的实现的前提是读端临界区不可抢占，因此如何解决这一矛盾但同时不损害RCU的性能是RCU未来的一大挑战。
参考资料[1] Linux RCU实现者之一Paul E. McKenney的RCU资源链接，。
[2] Paul E. McKenney的博士论文，"Exploiting Deferred Destruction: An Analysis of Read-Copy Update Techniques in Operating System Kernels"，。
[3] Paul E. McKenney's paper in Ottawa Linux Summit 2002, Read-Copy Update，。
[4] Linux Journal在2003年10月对RCU的简介, Kernel Korner - Using RCU in the Linux 2.5 Kernel，。
[5] Scaling dcache with RCU, 。
[6] Patch: Real-Time Preemption and RCU，。
[7] Using Read-Copy Update Techniques for System V IPC in the Linux 2.5 Kernel, 。
[8] Linux 2.6.12 kernel source。
[9] Linux kernel documentation, Documentation/RCU/*。