3. Lock -free 应用场景三 —— RCU
在 2.6 内核中，开发者还引入了一种新的无锁机制 -RCU(Read-Copy-Update)，允许多个读者和写者并发执行。RCU 技术的核心是写操作分为写和更新两步，允许读操作在任何时候无阻碍的运行，换句话说，就是通过延迟写来提高同步性能。RCU 主要应用于 WRRM 场景，但它对可保护的数据结构做了一些限定：RCU 只保护被动态分配并通过指针引用的数据结构，同时读写控制路径不能有睡眠。以下数组动态增长代码摘自 2.4.34 内核：
清单 7. 2.4.34 RCU 实现代码
其中 ipc_lock 是读者，grow_ary 是写者，不论是读或者写，都需要加 spin lock 对被保护的数据结构进行访问。改变数组大小是小概率事件，而读取是大概率事件，同时被保护的数据结构是指针，满足 RCU 运用场景。以下代码摘自 2.6.10 内核：
清单 8. 2.6.10 RCU 实现代码
#define rcu_read_lock() preempt_disable() #define rcu_read_unlock() preempt_enable() #define rcu_assign_pointer(p, v) ({ \ smp_wmb(); \ (p) = (v); \ }) struct kern_ipc_perm* ipc_lock(struct ipc_ids* ids, int id) { …… rcu_read_lock(); entries = rcu_dereference(ids->entries); if(lid >= entries->size) { rcu_read_unlock(); return NULL; } out = entries->p[lid]; if(out == NULL) { rcu_read_unlock(); return NULL; } …… return out; } static int grow_ary(struct ipc_ids* ids, int newsize) { struct ipc_id_ary* new; struct ipc_id_ary* old; …… new = ipc_rcu_alloc(sizeof(struct kern_ipc_perm *)*newsize + sizeof(struct ipc_id_ary)); if(new == NULL) return size; new->size = newsize; memcpy(new->p, ids->entries->p, sizeof(struct kern_ipc_perm *)*size +sizeof(struct ipc_id_ary)); for(i=size;i<newsize;i++) { new->p[i] = NULL; } old = ids->entries; /* * Use rcu_assign_pointer() to make sure the memcpyed contents * of the new array are visible before the new array becomes visible. */ rcu_assign_pointer(ids->entries, new); ipc_rcu_putref(old); return newsize; }
纵观整个流程，写者除内核屏障外，几乎没有一把锁。当写者需要更新数据结构时，首先复制该数据结构，申请 new 内存，然后对副本进行修改，调用 memcpy 将原数组的内容拷贝到 new 中，同时对扩大的那部分赋新值，修改完毕后，写者调用 rcu_assign_pointer 修改相关数据结构的指针，使之指向被修改后的新副本，整个写操作一气呵成，其中修改指针值的操作属于原子操作。在数据结构被写者修改后，需要调用内存屏障 smp_wmb，让其他 CPU 知晓已更新的指针值，否则会导致 SMP 环境下的 bug。当所有潜在的读者都执行完成后，调用 call_rcu 释放旧副本。同 Spin lock 一样，RCU 同步技术主要适用于 SMP 环境。