如何理解 RCU宽限期Grace period

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如何理解 RCU宽限期Grace period

RCU（Read-Copy-Update，读-复制-更新）是 Linux 内核中一种高效的同步机制，特别适用于读多写少的并发场景。其核心优势在于读操作完全无锁、无阻塞，极大提升了读性能。而实现这一优势的关键，就在于 Grace Period（宽限期） 的概念。

一、Grace Period 的核心定义

Grace Period（宽限期） 是指：从写操作开始更新数据指针的那一刻起，到系统中所有 CPU 都至少经历过一次“静默状态”（Quiescent State）为止的这段时间。

静默状态（Quiescent State）：一个 CPU 不在 RCU 读临界区内的状态。例如：
- 发生了进程上下文切换。
- 进入了空闲循环（idle）。
- 禁用了抢占（preemption）后重新启用。

✅ 关键结论：一旦一个 CPU 进入了静默状态，就说明它不可能再持有对旧数据的引用。

二、为什么需要 Grace Period？

RCU 的基本流程如下：

读操作：

rcu_read_lock();
data = rcu_dereference(ptr);  // 读取受保护的指针
// 使用 data...
rcu_read_unlock();

写操作：

new_data = kmalloc(...);
memcpy(new_data, old_data, ...);     // 复制并修改
rcu_assign_pointer(ptr, new_data);  // 原子替换指针
synchronize_rcu();                  // 等待宽限期结束
kfree(old_data);                    // 安全释放旧数据

问题来了：为什么不能在 rcu_assign_pointer 之后立即 kfree(old_data)？

因为：

在写操作执行 rcu_assign_pointer 之前，可能已经有多个读线程正在使用 old_data。
由于读操作是无锁的，写线程无法知道“谁还在读”、“什么时候读完”。
如果立即释放 old_data，正在读取它的线程就会访问已释放的内存 → Use-After-Free，严重 bug！

Grace Period 的作用就是：确保所有在更新指针之前已经开始的读操作，都已经结束。

一旦 Grace Period 结束，就可以安全地回收旧数据。

三、Grace Period 如何工作？（以 Linux 内核为例）

Linux 内核使用 Tree RCU 机制来高效地跟踪 Grace Period，其核心思想是：

写者发起更新：
- 调用 rcu_assign_pointer() 原子地更新指针。
- 同步请求：调用 synchronize_rcu()，请求等待当前 Grace Period 结束。为阻塞调用，可能耗时较长（毫秒级），不要在中断上下文或实时性要求高的路径中使用。
- 异步请求：调用 call_rcu()，将回调函数注册到 Grace Period 结束时执行，为非阻塞调用。
内核启动 Grace Period：
- 内核后台线程（rcu_gp_kthread）检测到有新的更新请求，启动一个新的 Grace Period。
检测静默状态：
- 每个 CPU 定期检查自己是否进入过静默状态（如发生调度、进入 idle）。
- 一旦某个 CPU 进入静默状态，就向 RCU 子系统报告。
Grace Period 结束：
- 当所有 CPU 都报告了至少一次静默状态后，内核判定当前 Grace Period 结束。
- 此时可以安全调用 kfree(old_data) 回收内存。

四、一个形象的比喻

想象一个图书馆：

读者：可以随时进入图书馆看书（rcu_read_lock），看完离开（rcu_read_unlock）。
管理员（写者）：想把一本旧书换成新版本。

流程：

管理员复印一本新书（Copy）。
把书架上的旧书换成新书（Update）。
但旧书不能立刻扔掉！因为可能还有读者正在看它。
管理员等待所有读者都至少离开过一次图书馆（Grace Period）。
一旦所有人都离开过，就可以安全地销毁旧书（Reclaim）。

📌 Grace Period 就是“等待所有人至少离开一次图书馆”的时间段。

五、Grace Period 的特点

特性	说明
非实时性	`synchronize_rcu()` 可能阻塞较长时间，取决于系统负载。
可重叠	多个 Grace Period 可以部分重叠，提高效率。
批量处理	多个写操作可以共享同一个 Grace Period，减少等待次数。
CPU 敏感	即使只有一个 CPU 长时间不进入静默状态（如死循环），Grace Period 也无法结束。