Linux内核分析（RCU机制和内存优化）

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前言

一、RCU概念

RCU（Read-Copy-Update）是一种并发编程技术，主要用于提高多线程程序中的读操作效率，同时保持数据的一致性和安全性。RCU 被广泛应用于 Linux 内核和其他高性能系统中，用于优化数据结构的访问。

RCU 的基本概念

RCU 是一种同步机制，用于在多线程环境中处理共享数据。它的核心思想是优化读操作的效率，同时允许对数据结构进行高效的修改。RCU 的关键特性是允许并发读取而不需要加锁，这样可以减少读操作的延迟。

1. 如何工作

RCU 的工作原理可以分为几个主要步骤：

1. 读操作：

   • 读操作在 RCU 中是非常轻量的。读取数据时，不需要加锁，读者直接访问数据结构。这使得读操作非常高效。

2. 更新操作：

   • 更新操作（包括插入、删除和修改）不会立即修改正在被读取的数据结构。相反，它会在数据结构的副本上进行修改，然后将新的副本提交到数据结构中。

3. 数据过期处理：

   • 更新操作完成后，RCU 会确保所有正在执行的读操作都完成，然后才会删除旧的数据副本。这是通过一个叫做 “RCU 回收” 的机制来实现的。RCU 回收阶段通过等待所有可能的读者完成来保证旧数据的安全删除。

2. RCU 的工作流程

• 创建副本：当需要更新数据时，首先创建数据结构的一个副本。
• 更新副本：对副本进行修改，然后将副本替换原来的数据结构。
• 同步：确保所有当前的读操作都完成，才能安全地释放旧的数据副本。

RCU 的主要优势

1. 高效的读操作：

   • 由于读操作不需要加锁，因此在并发环境中，读取操作可以非常快速。这使得 RCU 适用于读操作远多于写操作的场景。

2. 减少锁竞争：

   • RCU 减少了由于锁竞争造成的性能下降。因为读操作不需要加锁，系统的整体性能可以得到显著提升。

3. 延迟更新：

   • 更新操作通过延迟删除旧数据的方式，避免了频繁的锁竞争。这种方式使得系统可以在不影响读操作性能的情况下进行数据结构的修改。

RCU 的使用场景

1. 内核数据结构：

   • 在 Linux 内核中，RCU 被广泛用于实现高效的数据结构访问，如进程管理、文件系统和网络协议栈中的数据结构。

2. 高性能计算：

   • 在高性能计算和数据密集型应用中，RCU 用于优化读操作，以提高系统的总体性能。

3. 实时系统：

   • 在实时系统中，RCU 可以提供低延迟的数据访问，满足实时性要求。

RCU 的挑战和局限

1. 回收延迟：

   • RCU 的回收机制需要确保所有读操作完成，这可能导致旧数据副本的延迟释放。特别是在高并发环境中，如何合理设置回收策略是一个挑战。

2. 复杂性：

   • RCU 的实现和调试相对复杂，尤其是在确保数据一致性和避免悬空指针方面。

3. 写操作的复杂性：

   • 虽然读操作很高效，但写操作（特别是大量更新）可能会引入复杂性。需要精心设计更新策略以确保系统性能。

RCU 的实现

在 Linux 内核中，RCU 的实现涉及到一些核心组件和机制：

• RCU 版本：

  • Linux 内核实现了不同版本的 RCU，包括经典的 RCU、延迟 RCU（Delay RCU）和自适应 RCU（Adaptive RCU），以适应不同的需求。

• 同步原语：

  • 内核使用专门的同步原语，如 RCU 阅读者的同步机制，来确保在进行更新操作时的安全性。

• RCU 调试工具：

  • Linux 内核提供了一些工具和机制来帮助调试 RCU 相关的问题，如 rcu_report 和 rcutree.

总结

RCU（Read-Copy-Update）是一种高效的并发编程技术，通过优化读操作的效率来提高系统性能。它通过延迟更新和回收旧数据副本来避免锁竞争，从而实现高效的读操作。尽管 RCU 提供了显著的性能优势，但也带来了一些挑战，如回收延迟和实现复杂性。Linux 内核和其他高性能系统中广泛使用 RCU 来满足高并发读操作的需求。

二、RCU对链表的访问

RCU机制经常被用于在链表中的操作：

static inline void __list_add_rcu(struct list_head *new,struct list_head *prev, struct list_head *next)
{// 检查新节点插入是否有效if (!__list_add_valid(new, prev, next))return;// 设置新节点的 next 和 prev 指针new->next = next;   // 新节点的 next 指针指向原 next 节点new->prev = prev;   // 新节点的 prev 指针指向原 prev 节点// 使用 RCU 机制更新 prev 节点的 next 指针rcu_assign_pointer(list_next_rcu(prev), new);// 更新原 next 节点的 prev 指针，指向新节点next->prev = new;
}

1. 检查插入有效性：

   if (!__list_add_valid(new, prev, next))return;
   

   这行代码用于验证新节点的插入是否有效。如果插入不合法（如节点重复或冲突），则函数将返回，避免不正确的操作。

2. 设置新节点的指针：

   new->next = next;   // 新节点的 next 指针指向原 next 节点
   new->prev = prev;   // 新节点的 prev 指针指向原 prev 节点
   

   这些行代码设置新节点的 next 和 prev 指针，使其正确地链接到链表中的相邻节点。

3. RCU 机制更新：

   rcu_assign_pointer(list_next_rcu(prev), new);
   

   使用 rcu_assign_pointer 来安全地更新 prev 节点的 next 指针，确保在并发环境下指针更新不会出现问题。list_next_rcu(prev) 用于获取 prev 节点的 next 指针。

4. 更新原 next 节点的 prev 指针：

   next->prev = new;
   

   将原 next 节点的 prev 指针更新为新节点，保持链表的双向链接一致性。

三、Linux中的屏障

在 Linux 内核中，优化屏障（或称为内存屏障）是用于控制 CPU 和编译器对内存操作顺序的机制，确保并发操作的正确性。这些屏障防止内存访问被重排，确保多线程或多核环境中的数据一致性。

主要类型

1. 写屏障（write barrier）：

   • 确保在屏障之前的所有写操作在屏障之后的写操作之前完成。即屏障前的写操作不会被延迟到屏障后的写操作之后。

2. 读屏障（read barrier）：

   • 确保在屏障之前的所有读操作在屏障之后的读操作之前完成。即屏障前的读操作不会被延迟到屏障后的读操作之后。

3. 全屏障（full barrier 或 memory barrier）：

   • 结合了写屏障和读屏障，确保所有的读和写操作在屏障之前完成，之后的操作才会开始。

应用场景

1. 同步原语：

   • 优化屏障常用于实现锁、信号量等同步原语，确保对共享数据的访问顺序是正确的。例如，在实现自旋锁时，屏障用于确保锁状态更新在实际的锁操作之前完成。

2. CPU 缓存一致性：

   • 在多核处理器系统中，屏障帮助确保不同 CPU 缓存中的数据一致性。例如，写屏障确保一个核心的写操作在其他核心看到之前完成。

3. 内存序列化：

   • 在多线程程序中，屏障用于实现内存序列化，确保操作的顺序符合预期，防止因编译器或 CPU 的优化导致的错误行为。

实现

在 Linux 内核中，优化屏障通过内存屏障指令（如 mfence、lfence、sfence 在 x86 架构中）来实现，这些指令控制内存操作的顺序。此外，内核提供了抽象接口（如 smp_mb()、smp_rmb()、smp_wmb()），以确保代码的可移植性和清晰性。

总的来说，优化屏障是多核系统中确保数据一致性和正确性的关键工具，防止因操作顺序不一致而导致的错误。

Linux内核中实现优化屏障的源码解析：

这条宏定义用于实现一个编译器屏障（compiler barrier），它的作用是在生成的汇编代码中插入一个内存屏障指令。这种屏障指令用于防止编译器对内存操作进行重新排序，从而确保内存操作的顺序性。

#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

1. #define barrier():

   • 这是一个宏定义，定义了一个名为 barrier 的宏。barrier 可以在代码中作为一个空操作的占位符。

2. __asm__:

   • 这是 GCC 编译器的关键字，用于嵌入汇编代码。它告诉编译器接下来的代码是汇编指令。

3. __volatile__:

   • 这是 GCC 的一个修饰符，用于告知编译器该汇编代码不能被优化掉。即使这段代码在程序中没有实际作用，编译器也不应忽略它。

4. "": : :"memory":

   • 这是汇编代码的操作数部分，具体分为三个部分：
     • "": 表示没有输入操作数。这部分为空，表示宏没有使用任何输入参数。
     • :: 表示没有输出操作数。这部分为空，表示宏没有输出结果。
     • :"memory": 表示这段汇编代码对内存有副作用。"memory" 是一个约束，告诉编译器这段代码可能会影响内存中的数据，因此编译器不能重新排序或优化涉及内存的操作。

作用

• 内存屏障：barrier 宏通过 __asm__ __volatile__("": : :"memory") 在汇编中插入一个内存屏障指令。这是为了防止编译器对内存操作进行重新排序。

• 防止优化：__volatile__ 确保编译器不会优化掉这条屏障指令，即使在代码逻辑上它看起来是多余的。这对于确保某些关键操作的顺序性至关重要。

用途

• 多线程编程：在多线程编程中，barrier 可以用来确保操作的顺序性，防止数据竞争和同步问题。

• 内存操作：当进行涉及硬件寄存器的操作时，使用 barrier 可以确保这些操作按照正确的顺序执行。

• 平台无关性：这种宏通常用于操作系统和低层代码中，确保代码在不同的编译器和处理器架构上具有一致的行为。

barrier 宏通过插入一个无操作的内存屏障指令，帮助控制内存操作的顺序，确保编译器不会重新排序内存操作，从而维护程序的正确性。

禁止抢占函数：

#define preempt_disable() \
do { \/* 增加抢占计数器，禁用当前任务的抢占 */ \preempt_count_inc(); \/* 使用内存屏障，确保抢占计数器的操作不会被编译器优化或重新排序 */ \barrier(); \
} while (0)

在这些函数中都会使用到barrier();，及内存屏障，防止编译器对当前的代码进行优化或者重排，保证代码的正确运行。