RCU（Read-Copy-Update）机制详解

1. 问题背景与RCU的引入
RCU是一种高性能的读多写少场景下的同步机制。传统锁机制（如互斥锁）在读取频繁时会导致大量竞争开销，因为即使多个读取者并行访问也不会修改数据，但互斥锁仍要求串行化访问。RCU通过分离读/写路径，允许读取者无锁访问，写入者通过拷贝和原子替换来更新数据，从而显著提升读取性能。

2. RCU的核心思想

• 读取者（Reader）：直接访问数据，无需加锁，仅需在访问前后标记"进入读取临界区"和"离开读取临界区"。
• 写入者（Writer）：修改数据时，先创建数据的副本（Copy），修改副本后，通过原子操作将指针更新指向新数据（Update）。旧数据的回收需等待所有正在访问旧数据的读取者退出临界区。

3. RCU的关键操作步骤
步骤1：读取者流程

1. 调用rcu_read_lock()标记进入读取临界区（本质是禁用内核抢占或记录状态）。
2. 通过指针安全读取共享数据（即使此时写入者正在更新，读取者仍看到旧数据）。
3. 调用rcu_read_unlock()标记离开临界区。

步骤2：写入者流程

1. Copy：分配新内存，复制待修改数据到新内存。
2. Update：修改新副本，然后通过原子操作（如RCU赋值或指针交换）将全局指针指向新数据。此操作后新读取者将立即看到新数据。
3. Reclaim：旧数据不能立即释放，需等待所有在更新前已进入临界区的读取者退出。写入者调用synchronize_rcu()或call_rcu()，由内核异步回收旧内存。

4. 宽限期（Grace Period）详解

• 宽限期是指从写入者更新指针到所有可能访问旧数据的读取者全部退出的时间段。
• 关键规则：在宽限期结束后，旧数据不再被任何读取者引用，可安全回收。
• 实现方式：内核跟踪所有RCU读取者的状态，当检测到所有在更新前开始的读取操作均已完成时，宽限期结束。

5. 内存屏障与顺序一致性

• RCU依赖内存屏障保证数据访问顺序：
  • 写入者在更新指针前插入写屏障，确保副本修改完成后才暴露新指针。
  • 读取者在获取指针后插入读屏障，防止CPU乱序执行导致读取到不一致数据。

6. 应用场景与限制

• 适用场景：读多写少（如路由表、内核数据结构）、对读取性能要求高的场景。
• 限制：
  • 写入开销较大（需复制数据和延迟回收）。
  • 不适用于写频繁或数据实时性要求严格的场景。
  • 实现复杂，需内核支持宽限期检测。

7. 示例说明
假设全局指针gp指向一个数据结构：

• 写入者更新：

  new_data = kmalloc(sizeof(*new_data));  // 分配新内存
  *new_data = *gp;                       // 复制旧数据
  new_data->field = new_value;           // 修改新副本
  rcu_assign_pointer(gp, new_data);      // 原子更新指针
  synchronize_rcu();                     // 等待宽限期结束
  kfree(old_data);                       // 回收旧数据
  

• 读取者访问：

  rcu_read_lock();
  data = rcu_dereference(gp);            // 安全获取指针
  read_data(data->field);                // 无锁读取
  rcu_read_unlock();
  

8. 总结
RCU通过写时复制和延迟回收，实现了读取者的无锁并发，以空间换时间提升读取性能。其核心在于宽限期机制，确保数据回收的安全性。理解RCU需重点掌握指针原子性更新、内存屏障和宽限期协同工作的原理。