从阻塞到流畅：深入理解Linux内核RCU同步屏障技术

从阻塞到流畅：深入理解Linux内核RCU同步屏障技术

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你是否曾遇到过这样的难题：在多线程环境下，如何确保数据更新后所有旧版本的读取操作都已完成？当系统面临高并发读写时，传统锁机制往往成为性能瓶颈。Linux内核中的RCU（Read-Copy Update，读-复制-更新）同步机制通过延迟释放旧数据的方式巧妙解决了这一问题，而RCU同步屏障（RCU Barrier）则是确保这种延迟安全的关键技术。本文将以rcu_barrier实现为核心，带你揭开RCU同步屏障的工作原理，掌握这一内核同步利器。

RCU机制基础与同步屏障的必要性

RCU是一种高性能的同步机制，特别适用于读多写少的场景。它允许多个读者并发访问数据，而写者则通过创建数据副本进行修改，最后通过RCU同步屏障确保所有旧版本数据的引用都已结束后再释放内存。

在Linux内核中，RCU机制主要由三个部分组成：

• 读端临界区：通过rcu_read_lock()和rcu_read_unlock()标记
• 写端更新：通过rcu_assign_pointer()等接口进行原子更新
• 同步屏障：通过rcu_barrier()等待所有旧版本引用结束

RCU同步屏障的核心作用是等待所有已注册的RCU回调函数执行完毕。这在以下场景中至关重要：

• 模块卸载时确保所有RCU回调已完成
• 文件系统卸载前的资源清理
• 驱动程序移除时的设备释放

rcu_barrier实现深度解析

rcu_barrier()函数的实现位于内核源码的kernel/rcu/tree.c文件中，它通过以下步骤确保所有RCU回调完成：

1. 初始化与序列化

void rcu_barrier(void)
{
	unsigned long s;

	rcu_barrier_trace(TPS("Begin"), -1, s);

	/* Take mutex to serialize concurrent rcu_barrier() requests. */
	mutex_lock(&rcu_state.barrier_mutex);
	s = rcu_state.barrier_sequence;
	if (rcu_state.barrier_in_progress) {
		mutex_unlock(&rcu_state.barrier_mutex);
		rcu_barrier_trace(TPS("EarlyExit"), -1, rcu_state.barrier_sequence);
		return;
	}
	rcu_state.barrier_in_progress = true;
	rcu_state.barrier_sequence++;
	mutex_unlock(&rcu_state.barrier_mutex);

函数首先通过互斥锁barrier_mutex确保同一时间只有一个rcu_barrier()实例执行，这是通过barrier_in_progress标志实现的。

2. 向所有CPU注册回调

rcu_barrier()需要确保系统中的每个CPU都处理了其RCU回调队列。它通过smp_call_function_single()向每个在线CPU发送一个函数调用请求：

for_each_possible_cpu(cpu) {
	if (!cpu_online(cpu)) {
		rdp = per_cpu_ptr(&rcu_data, cpu);
		if (!rcu_rdp_is_offloaded(rdp)) {
			rcu_barrier_entrain(rdp);
			rcu_barrier_trace(TPS("OfflineQ"), cpu, rcu_state.barrier_sequence);
		} else {
			rcu_barrier_trace(TPS("OfflineNoCBQ"), cpu, rcu_state.barrier_sequence);
		}
		continue;
	}
	if (smp_call_function_single(cpu, rcu_barrier_handler, (void *)cpu, 1)) {
		rdp = per_cpu_ptr(&rcu_data, cpu);
		rcu_barrier_entrain(rdp);
		rcu_barrier_trace(TPS("OnlineQ"), cpu, rcu_state.barrier_sequence);
	}
}

对于每个CPU，rcu_barrier()会调用rcu_barrier_entrain()函数在其RCU回调链表中添加一个特殊的回调函数。

3. 特殊回调函数的设计

rcu_barrier_entrain()函数负责向RCU回调链表添加一个特殊的回调：

static void rcu_barrier_entrain(struct rcu_data *rdp)
{
	unsigned long flags;

	local_irq_save(flags);
	rcu_barrier_trace(TPS("IRQ"), -1, rcu_state.barrier_sequence);
	rdp->barrier_head.func = rcu_barrier_callback;
	if (rcu_segcblist_empty(&rdp->cblist)) {
		call_rcu(&rdp->barrier_head, rcu_barrier_callback);
	} else {
		rcu_segcblist_enqueue(&rdp->cblist, &rdp->barrier_head,
				      rcu_state.barrier_sequence);
		rcu_barrier_trace(TPS("IRQNQ"), -1, rcu_state.barrier_sequence);
	}
	local_irq_restore(flags);
}

这个特殊回调rcu_barrier_callback会在RCU回调处理时被执行，它通过原子计数器跟踪所有回调是否完成：

static void rcu_barrier_callback(struct rcu_head *rhp)
{
	unsigned long s;

	s = atomic_long_inc_return(&rcu_state.barrier_cpu_count);
	if (s == num_online_cpus() + rcu_state.nocb_count) {
		wake_up(&rcu_state.barrier_wq);
		rcu_barrier_trace(TPS("LastCB"), -1, s);
	} else {
		rcu_barrier_trace(TPS("CB"), -1, s);
	}
}

4. 等待所有回调完成

添加完所有特殊回调后，rcu_barrier()进入等待状态，直到所有回调都被执行：

/* Wait for all rcu_barrier_callback() callbacks to be invoked. */
wait_event(rcu_state.barrier_wq,
	   atomic_long_read(&rcu_state.barrier_cpu_count) ==
	   num_online_cpus() + rcu_state.nocb_count);
atomic_long_set(&rcu_state.barrier_cpu_count, 0);
rcu_barrier_trace(TPS("Inc2"), -1, rcu_state.barrier_sequence);

mutex_lock(&rcu_state.barrier_mutex);
rcu_state.barrier_in_progress = false;
mutex_unlock(&rcu_state.barrier_mutex);

rcu_barrier_trace(TPS("End"), -1, rcu_state.barrier_sequence);

这里使用等待队列barrier_wq进行阻塞等待，直到所有CPU的特殊回调都执行完毕。

rcu_barrier在实时系统中的优化

对于实时系统（RT），Linux内核提供了专门的RCU同步屏障实现。虽然我们没有直接找到rcu_barrier_rt函数，但可以从RCU实时实现的特性推测其优化方向：

1. 优先级提升：实时系统中可能会提升RCU回调处理线程的优先级，确保它们不会被低优先级任务阻塞

2. 减少延迟：实时版本可能会优化等待机制，避免长时间阻塞

3. 更精细的跟踪：可能增加更多的跟踪点，帮助实时系统分析延迟问题

这些优化可以在kernel/rcu/tree_plugin.h中找到相关线索，例如与RCU优先级提升相关的代码：

#ifdef CONFIG_RCU_BOOST
pr_info("\tRCU priority boosting: priority %d delay %d ms.\n",
	kthread_prio, CONFIG_RCU_BOOST_DELAY);
#endif

rcu_barrier的实际应用场景

rcu_barrier()在Linux内核中有多种应用场景，以下是几个典型示例：

1. 工作队列清理

在kernel/workqueue.c中，工作队列销毁时使用rcu_barrier()确保所有延迟工作已完成：

4331:		rcu_barrier();

2. BPF内存管理

在BPF（Berkeley Packet Filter）子系统中，kernel/bpf/memalloc.c使用rcu_barrier()确保内存安全释放：

702:	rcu_barrier(); /* wait for __free_by_rcu */
703:	rcu_barrier_tasks_trace(); /* wait for __free_rcu */

3. 设备映射清理

在网络设备映射中，kernel/bpf/devmap.c使用rcu_barrier()确保设备引用安全释放：

214:	rcu_barrier();

4. 内核模块卸载

当卸载内核模块时，rcu_barrier()确保所有模块相关的RCU回调已执行完毕，防止访问已卸载模块的代码。

rcu_barrier性能考量与最佳实践

虽然rcu_barrier()是确保RCU安全的重要机制，但它也会带来一定的性能开销：

1. 全局同步开销：rcu_barrier()需要等待所有CPU的RCU回调，在大型系统上可能导致数百毫秒的延迟

2. 系统扰动：为确保所有CPU参与，rcu_barrier()会唤醒可能处于空闲状态的CPU

因此，使用rcu_barrier()时应遵循以下最佳实践：

• 避免在性能关键路径中使用rcu_barrier()
• 考虑使用rcu_barrier_throttled()替代，它限制了调用频率：

static void rcu_barrier_throttled(void)
{
	unsigned long j = jiffies;
	unsigned long old = READ_ONCE(rcu_barrier_last_throttle);

	if (time_after(j, old + HZ) &&
	       !try_cmpxchg(&rcu_barrier_last_throttle, &old, j)) {
		old = READ_ONCE(rcu_barrier_last_throttle);
		if (time_after(j, old + HZ))
			WRITE_ONCE(rcu_barrier_last_throttle, j);
		else
			return;
	}
	rcu_barrier();
}

• 对于模块卸载等场景，确保只在必要时调用rcu_barrier()

总结

RCU同步屏障是Linux内核中确保并发安全的关键机制，通过本文的分析，我们了解到rcu_barrier()通过以下步骤实现其功能：

1. 序列化并发的rcu_barrier()调用
2. 向所有CPU和RCU offload线程注册特殊回调
3. 等待所有特殊回调执行完毕
4. 唤醒等待的进程并清理状态

这一机制确保了在数据结构被修改或删除后，所有对旧版本数据的引用都已结束，从而避免了悬空指针和数据竞争问题。

在实时系统中，RCU同步屏障可能会有额外的优化，如优先级提升和延迟减少，以满足实时性要求。了解rcu_barrier()的实现原理和应用场景，对于编写高效、安全的内核代码具有重要意义。

通过合理使用rcu_barrier()及其变体，内核开发者可以在保证系统正确性的同时，最大限度地发挥RCU机制的高性能优势。

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