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分类: LINUX

2016-01-25 09:41:46

原文地址:linux RCU锁机制。 作者:zimang

众所周知,为了保护共享数据,需要一些同步机制,如自旋锁(spinlock),读写锁(rwlock),它们使用起来非常简单,而且是一种很有效的同步 机制,在UNIX系统和Linux系统中得到了广泛的使用。但是随着计算机硬件的快速发展,获得这种锁的开销相对于CPU的速度在成倍地增加,原因很简 单,CPU的速度与访问内存的速度差距越来越大,而这种锁使用了原子操作指令,它需要原子地访问内存,也就说获得锁的开销与访存速度相关,另外在大部分非 x86架构上获取锁使用了内存栅(Memory Barrier),这会导致处理器流水线停滞或刷新,因此它的开销相对于CPU速度而言就越来越大。

在操作系统中,数据一致性访问是一个非常重要的部分,通常我们可以采用锁机制实现数据的一致性访问。例如,semaphorespinlock机 制,在访问共享数据时,首先访问锁资源,在获取锁资源的前提下才能实现数据的访问。这种原理很简单,根本的思想就是在访问临界资源时,首先访问一个全局的 变量(锁),通过全局变量的状态来控制线程对临界资源的访问。但是,这种思想是需要硬件支持的,硬件需要配合实现全局变量(锁)的读-修改-写,现代CPU都会提供这样的原子化指令。采用锁机制实现数据访问的一致性存在如下两个问题:

1、  效率问题。锁机制的实现需要对内存的原子化访问,这种访问操作会破坏流水线操作,降低了流水线效率。这是影响性能的一个因素。另外,在采用读写锁机制的情况下,写锁是排他锁,无法实现写锁与读锁的并发操作,在某些应用下回降低性能。


2、  扩展性问题。当系统中CPU数量增多的时候,采用锁机制实现数据的同步访问效率偏低。并且随着CPU数量的增多,效率降低,由此可见锁机制实现的数据一致性访问扩展性差。


为了解决上述问题,Linux中引进了RCU机制。该机制在多CPU的平台上比较适用,对于读多写少的应用尤其适用。RCU的思路实际上很简单,下面对其进行描述:


1、             对于读操作,可以直接对共享资源进行访问,但是前提是需要CPU支持访存操作的原子化,现代CPU对这一点都做了保证。但是RCU的读操作上下文是不可抢占的(这一点在下面解释),所以读访问共享资源时可以采用read_rcu_lock(),该函数的工作是停止抢占。


2、             对于写操作,其需要将原来的老数据作一次备份(copy),然后对备份数据进行修改,修改完毕之后再用新数据更新老数据,更新老数据时采用了rcu_assign_pointer()宏,在该函数中首先屏障一下memory, 然后修改老数据。这个操作完成之后,需要进行老数据资源的回收。操作线程向系统注册回收方法,等待回收。采用数据备份的方法可以实现读者与写者之间的并发 操作,但是不能解决多个写着之间的同步,所以当存在多个写者时,需要通过锁机制对其进行互斥,也就是在同一时刻只能存在一个写者。


3、             RCU机制中存在一个垃圾回收的daemon,当共享资源被update之后,可以采用该daemon实现老数据资源的回收。回收时间点就是在update之前的所有的读者全部退出。由此可见写者在update之后是需要睡眠等待的,需要等待读者完成操作,如果在这个时刻读者被抢占或者睡眠,那么很可能会导致系统死锁。因为此时写者在等待读者,读者被抢占或者睡眠,如果正在运行的线程需要访问读者和写者已经占用的资源,那么死锁的条件就很有可能形成了。



从上述分析来看,RCU思想是比较简单的,其核心内容紧紧围绕“写时拷贝”,采用RCU机制,能够保证在读写操作共享资源时,基本不需要取锁操作,能够在一定程度上提升性能。但是该机制的应用是有条件的,对于读多写少的应用,机制的开销比较小,性能会大幅度提升,但是如果写操作较多时,开销将会增大,性能不一定会有所提升。总体来说,RCU机制是对rw_lock的一种优化。


http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-rcu/


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