RCU（Read-Copy-Update）是Linux內核中的一種同步機制，用于在多核處理器環境中實現無鎖讀取和延遲更新。Linux RCU（Read-Copy-Update）技術通過一種高效的同步機制來處理并發沖突，確保在多核環境中讀者和寫者對共享數據的訪問能夠安全、高效地進行。

RCU的核心思想是通過無鎖讀取和延遲更新來避免并發沖突：

• 無鎖讀取：讀者（讀取線程）可以無鎖訪問共享數據，避免了讀者之間的鎖競爭。
• 延遲更新：寫者（更新線程）通過創建共享數據的副本進行修改，并在所有讀者完成讀取后，才將新數據替換舊數據。

RCU如何處理并發沖突

RCU通過以下機制處理并發沖突：

寬限期（Grace Period）

• 寫者在更新共享數據時，需要等待一個寬限期。寬限期是指所有讀者都完成對舊數據的訪問的時間段。
• 在寬限期內，寫者會阻塞，直到確認沒有讀者正在訪問舊數據。
• 寬限期結束后，寫者才會更新共享數據的指針，指向新數據，并釋放舊數據。
• 寫者在完成數據更新后，通過發布-訂閱機制將新數據指針替換舊數據指針。
• synchronize_rcu()函數是關鍵，它確保在更新數據后，所有的讀者都已經看到了新數據或者已經完成了對舊數據的訪問。
• 這意味著在synchronize_rcu()返回后，舊數據不再被任何讀者訪問，可以安全地釋放。
• 這一機制通過內存屏障（Memory Barrier）確保指針更新的原子性，防止讀者讀取到不完整或未初始化的數據310。
• 在RCU中，寫者不會立即刪除舊數據，而是等待所有讀者完成讀取后，才通過垃圾回收機制釋放舊數據。
• 這種機制確保了讀者在讀取過程中始終訪問到有效的數據，即使數據正在被更新39。
• 讀者在訪問數據時，不需要加鎖，可以并發進行讀取操作。
• 寫者在更新數據時，會先復制一份舊數據，然后在副本上進行修改。寫者不會直接修改共享數據，而是等待所有讀者完成讀取后，才替換舊數據36。
• 讀者多而寫者少的場景：例如內核數據結構、網絡協議棧等。
• 需要高效并發讀取的場景：RCU的無鎖讀取特性能夠顯著提升讀取性能。
• 對低延遲要求較高的場景：由于讀取操作無需加鎖，RCU能夠提供極低的讀取延遲45。

RCU的優勢與局限性

• 無鎖讀取：讀者無需加鎖即可訪問數據，避免了鎖競爭。
• 延遲更新：寫者不會阻塞讀者，提高了并發性能。
• 高擴展性：在多核處理器環境中表現出色，能夠有效利用多核性能。
• 內存開銷：寫者需要維護舊數據的副本，增加了內存使用。
• 延遲更新開銷：寫者需要等待寬限期，可能導致一定的延遲。

RCU讀者和寫者代碼實現舉例

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/rcupdate.h>
#include <linux/slab.h>

struct mydata {
? ? int value;
? ? struct rcu_head rcu_head;
};

static struct mydata *gbldata = NULL;

// 寫者函數：更新共享數據
void writer(int new_value) {
? ? struct mydata *new_data;

? ? // 分配新的數據結構
? ? new_data = kmalloc(sizeof(struct mydata), GFP_KERNEL);
? ? if (!new_data) {
? ? ? ? printk(KERN_ERR "Failed to allocate memory\n");
? ? ? ? return;
? ? }

? ? // 初始化新數據
? ? new_data->value = new_value;

? ? // 更新全局指針，使用rcu_assign_pointer確保原子性
? ? rcu_assign_pointer(gbldata, new_data);

? ? // 等待寬限期，確保所有讀者都已經看到了新數據
? ? synchronize_rcu();

? ? // 寬限期結束后，可以安全地釋放舊數據
? ? if (new_data != gbldata) {
? ? ? ? kfree_rcu(gbldata, rcu_head);
? ? }
}

// 模塊初始化函數
static int __init myrcu_init(void) {
? ? printk(KERN_INFO "RCU example module init\n");
? ? writer(10); // 初始寫入
? ? return 0;
}

// 模塊清理函數
static void __exit myrcu_exit(void) {
? ? printk(KERN_INFO "RCU example module exit\n");
? ? writer(NULL); // 清理時寫入NULL
}

module_init(myrcu_init);
module_exit(myrcu_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple RCU example");