RCU锁机制（二）－－转载

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。

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。