Linux 內(nèi)核設(shè)計了多種鎖機(jī)制，比如?讀寫鎖、自旋鎖?和?信號量?等。為什么要設(shè)計這么多鎖機(jī)制呢？這是因為不同的鎖機(jī)制適用于不同的場景，比如?讀寫鎖?適用于讀多寫少的場景；而?信號量?適用于進(jìn)程長時間占用鎖，并且允許上下文切換的場景。

本文主要介紹一種 Linux 內(nèi)核中性能非常高的鎖機(jī)制：RCU鎖機(jī)制。

RCU?是?Read Copy Update?的縮寫，中文意思是?讀取、復(fù)制、更新。RCU鎖機(jī)制 就是通過讀取、復(fù)制和更新這三個操作來實現(xiàn)鎖功能。在介紹?RCU鎖?之前，我們先來看看下面的實例。

假如有線程 A 和線程 B 同時執(zhí)行?foo_read()，而另線程 C 執(zhí)行?foo_update()，那么會出現(xiàn)以下幾種情況：

1. 線程 A 和線程 B 同時讀取到舊的 gbl_foo 的指針。

2. 線程 A 和線程 B 同時讀取到新的 gbl_foo 的指針。

3. 線程 A 和線程 B 有一個讀取到新的 gbl_foo 的指針，另外一個讀取到舊的 gbl_foo 的指針。

如果線程 A 或線程 B 在讀取舊的 gbl_foo 數(shù)據(jù)還沒完成時，線程 C 釋放了舊的 gbl_foo 指針，那么將會導(dǎo)致程序奔潰。

也就是說，在不加鎖的情況下，對公共數(shù)據(jù)的訪問是危險的。當(dāng)然，我們可以使用?讀寫鎖、信號量?或者?自旋鎖?來對公共數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。但這些鎖都有各自的弊端，比如：

• 讀寫鎖：對于寫操作較多的場景，性能會非常差。

• 信號量：上鎖失敗的進(jìn)程將會切換上下文，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降。

• 自旋鎖：獲得鎖的 CPU 將會阻塞其他 CPU 的允許，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的并行能力下降。

那么有沒有一種鎖機(jī)制，對系統(tǒng)的性能影響不大的呢？所以，Linux 內(nèi)核黑客們就創(chuàng)造出?RCU鎖。

RCU鎖原理

如果能夠保證所有使用某個公共數(shù)據(jù)的線程不再使用它，那么就可以安全刪除此公共數(shù)據(jù)。

1. 寬限期

在上面的例子中，如果能夠保證線程 A 和線程 B 不再使用舊數(shù)據(jù)，那么線程 C 就能安全刪除舊數(shù)據(jù)。

如下圖所示（舊數(shù)據(jù)對應(yīng)對象A，新數(shù)據(jù)對應(yīng)對象B）：

從上圖的時間線可以看出，線程 A 和線程 B 從 glb_foo 指針獲取的都是對象 A 的引用。

提示：因為 glb_foo 指針在時間點 B 才被替換成對象 B，而線程 A 和線程 B 都是在時間點 B 前獲取 glb_foo 指針指向的對象，所以它們獲取到的都是對象 A 的引用。

而在?安全點?后，線程 A 和線程 B 便不再使用舊數(shù)據(jù)（對象A）。所以此時，線程 C 便可以安全釋放舊數(shù)據(jù)（對象A）。

線程 A 和線程 B 使用舊數(shù)據(jù)的這段期間，被稱為?寬限期。如下圖所示：

所以，RCU鎖?的核心思想就是怎么確定?寬限期。因為確定寬限期后，就可以隨心所欲地釋放舊數(shù)據(jù)。

2. 寬限期確認(rèn)

RCU鎖?的原理雖然比較簡單，但是實現(xiàn)卻有點小復(fù)雜，主要是因為?寬限期?的確定比較麻煩。

為了能夠確認(rèn)?寬限期，使用 RCU 鎖時有以下限制：

• 使用 RCU 鎖前，必須禁止內(nèi)核搶占。

• 在 RCU 鎖保護(hù)的臨界區(qū)中，不能使用可能觸發(fā)調(diào)度的函數(shù)（如不能調(diào)用 alloc_pages 函數(shù)）。

由于在 RCU 臨界區(qū)是禁止調(diào)度的，所以如果 CPU 發(fā)生了調(diào)度，就可以確定當(dāng)前線程已經(jīng)退出了臨界區(qū)（也就是說當(dāng)前線程不再引用舊對象）。如果所有的 CPU 都至少發(fā)生過一次調(diào)度，那么也就說明沒有任何線程引用舊對象，此時就可以安全釋放舊對象了。

所以，RCU 鎖的核心原理是：在釋放舊對象前，必須等待所有 CPU 核心至少調(diào)度一次。如下代碼所示：

foo_update()?函數(shù)釋放舊對象的步驟如下：

1. 使用新對象替換舊對象，在替換前必須使用自旋鎖進(jìn)行保護(hù)，避免多個 CPU 同時修改 gbl_foo 指針的值。

2. 等待所有 CPU 核心至少調(diào)度一次。

3. 由于所有 CPU 核心都至少調(diào)度過一次，那么可以確認(rèn)現(xiàn)在沒有線程引用舊對象，所以可以安全釋放舊對象。

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3. RCU臨界區(qū)

通過前面的分析可知，在 RCU 臨界區(qū)中是不能發(fā)生調(diào)度的。要保證臨界區(qū)不發(fā)生調(diào)度，首先要確保在臨界區(qū)中不能調(diào)用可能觸發(fā)調(diào)度的函數(shù)，如：alloc_pages()。這點需要 RCU 使用者自己保證。

另外一點要保證的是，內(nèi)核不能發(fā)生搶占，這點可以通過調(diào)用?preempt_disable()?函數(shù)實現(xiàn)。內(nèi)核定義了一個名為?rcu_read_lock()?的宏，如下所示：

可以看出，?rcu_read_lock()?宏其實就是?preempt_disable()?函數(shù)的別名。所以，使用 RCU 鎖時，可以使用?rcu_read_lock()?宏對臨界區(qū)進(jìn)行保護(hù)。

當(dāng)退出臨界區(qū)時，需要調(diào)用?rcu_read_unlock()?把內(nèi)核搶占打開。rcu_read_unlock()?的定義如下：

可以看出，rcu_read_unlock()?宏就是?preempt_enable()?的別名。

所以，當(dāng)我們使用 RCU 鎖對臨界區(qū)進(jìn)行保護(hù)時，必須將需要保護(hù)的代碼放置在?rcu_read_lock()?和?rcu_read_unlock()?之間，如下所示：

原文作者：Linux內(nèi)核那些事