好久沒有更文，上次更文時西安天氣還很熱，現在“寒氣”它還真來了。在前一階段經歷了一些公司的面試，經常會問到RCU鎖的原理，其實在跟對方口述表達時才真正能體現出來自己到底懂不懂，關于RCU鎖的原理與使用，我打算分若干個次文章整理出來，本次就先從一個大概的原理上進行講解。

Read-Copy Update，簡稱RCU，中文對應"讀取-拷貝-更新"，

先給出一個解釋：

對于被RCU保護的共享數據結構，讀者不需要獲得任何鎖就可以直接訪問，但寫者在訪問它時首先要拷貝一個副本，然后對副本進行修改，最后使用一個回調機制在適當的時機把指向數據的指針重新指向新的被修改的數據。

簡化來說：

記錄指針：記錄所有的指向“共享數據”的指針。

讀取-拷貝： " 指針持有者 “ 修改該 ” 共享數據 " ,：先創建一個共享數據 " 副本 " , 然后在副本中修改 。

更新數據：讀者讀取”共享數據“，離開”讀者臨界區“后，指向原來 " 共享數據 " 的 指針 重新指向 " 副本 " , 然后再回收處理舊的 " 共享數據 " 。

RCU鎖優劣：

讀者不需要承擔同步開銷(同步開銷：1、獲取鎖;2、執行”原子指令“;3、執行”內存屏障“)，因為讀端不需要鎖，不使用原子指令，故不會導致鎖競爭。

寫者承擔很大的同步開銷，需要讀取并復制共享數據，還有使用互斥鎖機制等。

關于具體場景：

RCU鎖是 Linux 內核實現的一種針對“讀多寫少”的共享數據的同步機制。

RCU主要針對的數據對象是鏈表，目的是提高遍歷讀取數據的效率，為了達到目的使用RCU機制讀取數據的時候不對鏈表進行耗時的加鎖操作。RCU機制極大提高"鏈表"數據結構的讀取效率，多個線程同時讀取鏈表時，使用rcu_read_lock()即可，在多線程讀取的同時還允許有1個線程修改鏈表。在Linux內核中專門提供了頭文件：

include/linux/rculist.h定義了一些宏函數用于RCU處理鏈表，如下表中是該頭文件中的宏定義.在內核編程時可根據需要查詢該頭文件中源碼選擇，如list_entry_rcu與list_for_each_entry_rcu：

list_for_each_entry_rcu用于遍歷由RCU保護的鏈表head，只要在讀端臨界區使用該函數，它就可以安全地和其它_rcu鏈表操作函數(如list_add_rcu)并發運行。

RCU鏈表遍歷操作相關宏：

直接上代碼來個簡單的Demo:僅創建一個讀者和寫者去感受一下RCU鎖的使用,下面的例子通過RCU機制保護rcu_test_init()函數分配的共享數據結構struct foo *test ;并創建一個讀者和一個寫者來模擬同步場景。

運行截圖：

對于讀線程：

通過rcu_read_lock()函數和rcu_read_unlock()函數來構建一個讀者臨界區，rcu_read_lock() 和 rcu_read_unlock()，是 RCU “隨意讀” 的關鍵，它們的效果是聲明了一個讀端的臨界區。讀者在臨界區中,不能發生進程上下文切換，否則,因為寫者需要要等待讀者完成,寫者進程也會一直被阻塞。

調用list_for_each_entry_rcu宏函數，遍歷獲取被保護數據，此時P指向被保護的數據。

對于寫線程：

調用list_first_or_null_rcu宏函數，讀取元素，然后開始復制一份副本。

對副本進行修改操作。

調用list_replace_rcu宏函數，用新節點替換掉舊節點，實際也是調用了rcu_assign_pointer()更新了元素，rcu_assign_pointer用來為被RCU保護的指針分配一個新的值，這樣是為了安全更改其值，這個原語保護并發讀不受更新操作的影響。寫者調用rcu_assign_pointer后，對于讀者就"可見"了，調用rcu_assign_pointer前就已經開始讀取舊值的依然可以訪問舊值。

調用synchronize_rcu宏函數，為了確保沒有讀者正在訪問要回收的臨界資源，需要等待所有的讀者退出臨界區，該宏函數通過阻塞來做到這一點，直到所有cpu上所有預先存在的RCU讀端臨界區都完成，相當于給讀者一個安全退出的寬限區。

kfree釋放舊數據。

以上分析與記錄的相關概念都比較簡單，RCU的實現很復雜，本文對一些細節沒有展開，如回收舊資源時的寬限區等，所以本次只是一個原理層面一個大概的分析，后面有時間會繼續分析。