LINUX中的RCU机制的分析

  RCU机制是Linux2.6之后提供的一种数据一致性访问的机制,从RCU(read-copy-update)的名称上看,我们就能对他的实现机制有一个大概的了解,在修改数据的时候,首先需要读取数据,然后生成一个副本,对副本进行修改,修改完成之后再将老数据update成新的数据,此所谓RCU。

       在操作系统中,数据一致性访问是一个非常重要的部分,通常我们可以采用锁机制实现数据的一致性访问。例如,semaphore、spinlock机制,在访问共享数据时,首先访问锁资源,在获取锁资源的前提下才能实现数据的访问。这种原理很简单,根本的思想就是在访问临界资源时,首先访问一个全局的变量(锁),通过全局变量的状态来控制线程对临界资源的访问。但是,这种思想是需要硬件支持的,硬件需要配合实现全局变量(锁)的读-修改-写,现代CPU都会提供这样的原子化指令。采用锁机制实现数据访问的一致性存在如下两个问题:

  1. 效率问题。锁机制的实现需要对内存的原子化访问,这种访问操作会破坏流水线操作,降低了流水线效率。这是影响性能的一个因素。另外,在采用读写锁机制的情况下,写锁是排他锁,无法实现写锁与读锁的并发操作,在某些应用下会降低性能。

  2. 扩展性问题。当系统中CPU数量增多的时候,采用锁机制实现数据的同步访问效率偏低。并且随着CPU数量的增多,效率降低,由此可见锁机制实现的数据一致性访问扩展性差。

为了解决上述问题,Linux中引进了RCU机制。该机制在多CPU的平台上比较适用,对于读多写少的应用尤其适用。

 

RCU的思路实际上很简单,如下所示: 

  1. 对于读操作,可以直接对共享资源进行访问,但是前提是需要CPU支持访存操作的原子化,现代CPU对这一点都做了保证。但是RCU的读操作上下文是不可抢占的(这一点在下面解释),所以读访问共享资源时可以采用read_rcu_lock(),该函数的工作是停止抢占。

  2 . 对于写操作,其需要将原来的老数据作一次备份(copy),然后对备份数据进行修改,修改完毕之后再用新数据更新老数据,更新老数据时采用了rcu_assign_pointer()宏,在该函数中首先屏障一下memory,然后修改老数据。这个操作完成之后,需要进行老数据资源的回收。操作线程向系统注册回收方法,等待回收。采用数据备份的方法可以实现读者与写者之间的并发操作,但是不能解决多个写者之间的同步,所以当存在多个写者时,需要通过锁机制对其进行互斥,也就是在同一时刻只能存在一个写者。

  3. RCU机制中存在一个垃圾回收的daemon,当共享资源被update之后,可以采用该daemon实现老数据资源的回收。回收时间点就是在update之前的所有的读者全部退出。由此可见写者在update之后是需要睡眠等待的,需要等待读者完成操作,如果在这个时刻读者被抢占或者睡眠,那么很可能会导致系统死锁。因为此时写者在等待读者,读者被抢占或者睡眠,如果正在运行的线程需要访问读者和写者已经占用的资源,那么死锁的条件就很有可能形成了。

  RCU机制是Linux2.6之后提供的一种数据一致性访问的机制,目前在linux内核中被大量的使用。在修改数据的时候,首先需要读取数据,然后生成一个副本,对副本进行修改,修改完成之后再将老数据update成新的数据,此所谓RCU。

 

 

  从上述分析来看,RCU思想是比较简单的,其核心内容紧紧围绕“写时拷贝”,采用RCU机制,能够保证在读写操作共享资源时,基本不需要取锁操作,能够在一定程度上提升性能。但是该机制的应用是有条件的,对于读多写少的应用,机制的开销比较小,性能会大幅度提升,但是如果写操作较多时,开销将会增大,性能不一定会有所提升。总体来说,RCU机制是对rw_lock的一种优化。

posted @ 2016-04-17 17:58  eversliver  阅读(3906)  评论(0编辑  收藏  举报