]> bbs.cooldavid.org Git - net-next-2.6.git/blob - Documentation/RCU/whatisRCU.txt
469a58b2e67e925bdd3db6f845a55a98b2dbcb4f
[net-next-2.6.git] / Documentation / RCU / whatisRCU.txt
1 Please note that the "What is RCU?" LWN series is an excellent place
2 to start learning about RCU:
3
4 1.      What is RCU, Fundamentally?  http://lwn.net/Articles/262464/
5 2.      What is RCU? Part 2: Usage   http://lwn.net/Articles/263130/
6 3.      RCU part 3: the RCU API      http://lwn.net/Articles/264090/
7
8
9 What is RCU?
10
11 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
12 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
13 situations.  Although RCU is actually quite simple once you understand it,
14 getting there can sometimes be a challenge.  Part of the problem is that
15 most of the past descriptions of RCU have been written with the mistaken
16 assumption that there is "one true way" to describe RCU.  Instead,
17 the experience has been that different people must take different paths
18 to arrive at an understanding of RCU.  This document provides several
19 different paths, as follows:
20
21 1.      RCU OVERVIEW
22 2.      WHAT IS RCU'S CORE API?
23 3.      WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
24 4.      WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
25 5.      WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
26 6.      ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
27 7.      FULL LIST OF RCU APIs
28 8.      ANSWERS TO QUICK QUIZZES
29
30 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
31 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
32 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
33 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
34 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
35 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
36 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
37 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
38 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
39
40 So, start with the section that makes the most sense to you and your
41 preferred method of learning.  If you need to know everything about
42 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
43 that type of person, you have perused the source code and will therefore
44 never need this document anyway.  ;-)
45
46
47 1.  RCU OVERVIEW
48
49 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
50 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
51 within a data structure (possibly by replacing them with references to
52 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
53 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
54 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
55 either the old or the new version of the data structure rather than a
56 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
57 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
58 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
59 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
60 not start until readers no longer hold references to those data items.
61
62 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
63 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
64 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
65 completed, either by blocking until they finish or by registering a
66 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
67 during the removal phase need be considered, because any reader starting
68 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
69 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
70
71 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
72
73 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
74         readers cannot gain a reference to it.
75
76 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
77         critical sections.
78
79 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
80         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
81         (e.g., kfree()d).
82
83 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
84 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
85 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
86 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
87 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
88 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
89 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
90 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
91 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
92 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
93 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
94 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
95 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
96 and communications cache misses that are so expensive on present-day
97 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
98
99 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
100 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
101 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
102 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
103 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
104 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
105 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
106 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
107 and reclaimers, namely, in step (b) above.
108
109 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
110 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
111 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
112
113
114 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
115
116 The core RCU API is quite small:
117
118 a.      rcu_read_lock()
119 b.      rcu_read_unlock()
120 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
121 d.      rcu_assign_pointer()
122 e.      rcu_dereference()
123
124 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
125 expressed in terms of these five, though most implementations instead
126 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
127
128 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
129 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
130 at the function header comments.
131
132 rcu_read_lock()
133
134         void rcu_read_lock(void);
135
136         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
137         entering an RCU read-side critical section.  It is illegal
138         to block while in an RCU read-side critical section, though
139         kernels built with CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU can preempt RCU
140         read-side critical sections.  Any RCU-protected data structure
141         accessed during an RCU read-side critical section is guaranteed to
142         remain unreclaimed for the full duration of that critical section.
143         Reference counts may be used in conjunction with RCU to maintain
144         longer-term references to data structures.
145
146 rcu_read_unlock()
147
148         void rcu_read_unlock(void);
149
150         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
151         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
152         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
153
154 synchronize_rcu()
155
156         void synchronize_rcu(void);
157
158         Marks the end of updater code and the beginning of reclaimer
159         code.  It does this by blocking until all pre-existing RCU
160         read-side critical sections on all CPUs have completed.
161         Note that synchronize_rcu() will -not- necessarily wait for
162         any subsequent RCU read-side critical sections to complete.
163         For example, consider the following sequence of events:
164
165                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
166              ----------------- ------------------------- ---------------
167          1.  rcu_read_lock()
168          2.                    enters synchronize_rcu()
169          3.                                               rcu_read_lock()
170          4.  rcu_read_unlock()
171          5.                     exits synchronize_rcu()
172          6.                                              rcu_read_unlock()
173
174         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
175         read-side critical sections to complete, not necessarily for
176         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
177
178         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
179         -immediately- after the last pre-existing RCU read-side critical
180         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
181         delays.  For another thing, many RCU implementations process
182         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
183         further delay synchronize_rcu().
184
185         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
186         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
187         to be useful in all but the most read-intensive situations,
188         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
189
190         The call_rcu() API is a callback form of synchronize_rcu(),
191         and is described in more detail in a later section.  Instead of
192         blocking, it registers a function and argument which are invoked
193         after all ongoing RCU read-side critical sections have completed.
194         This callback variant is particularly useful in situations where
195         it is illegal to block or where update-side performance is
196         critically important.
197
198         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
199         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
200         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
201         of automatically limiting update rate should grace periods
202         be delayed.  This property results in system resilience in face
203         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
204         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
205         checklist.txt for some approaches to limiting the update rate.
206
207 rcu_assign_pointer()
208
209         typeof(p) rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
210
211         Yes, rcu_assign_pointer() -is- implemented as a macro, though it
212         would be cool to be able to declare a function in this manner.
213         (Compiler experts will no doubt disagree.)
214
215         The updater uses this function to assign a new value to an
216         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
217         in value from the updater to the reader.  This function returns
218         the new value, and also executes any memory-barrier instructions
219         required for a given CPU architecture.
220
221         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
222         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
223         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
224         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
225         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
226
227 rcu_dereference()
228
229         typeof(p) rcu_dereference(p);
230
231         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
232         as a macro.
233
234         The reader uses rcu_dereference() to fetch an RCU-protected
235         pointer, which returns a value that may then be safely
236         dereferenced.  Note that rcu_deference() does not actually
237         dereference the pointer, instead, it protects the pointer for
238         later dereferencing.  It also executes any needed memory-barrier
239         instructions for a given CPU architecture.  Currently, only Alpha
240         needs memory barriers within rcu_dereference() -- on other CPUs,
241         it compiles to nothing, not even a compiler directive.
242
243         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
244         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
245         this local variable, for example as follows:
246
247                 p = rcu_dereference(head.next);
248                 return p->data;
249
250         However, in this case, one could just as easily combine these
251         into one statement:
252
253                 return rcu_dereference(head.next)->data;
254
255         If you are going to be fetching multiple fields from the
256         RCU-protected structure, using the local variable is of
257         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
258         ugly and incur unnecessary overhead on Alpha CPUs.
259
260         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
261         only within the enclosing RCU read-side critical section.
262         For example, the following is -not- legal:
263
264                 rcu_read_lock();
265                 p = rcu_dereference(head.next);
266                 rcu_read_unlock();
267                 x = p->address;
268                 rcu_read_lock();
269                 y = p->data;
270                 rcu_read_unlock();
271
272         Holding a reference from one RCU read-side critical section
273         to another is just as illegal as holding a reference from
274         one lock-based critical section to another!  Similarly,
275         using a reference outside of the critical section in which
276         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
277         locking.
278
279         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
280         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
281         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
282         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
283         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
284         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
285         primitives, such as list_for_each_entry_rcu().
286
287 The following diagram shows how each API communicates among the
288 reader, updater, and reclaimer.
289
290
291             rcu_assign_pointer()
292                                     +--------+
293             +---------------------->| reader |---------+
294             |                       +--------+         |
295             |                           |              |
296             |                           |              | Protect:
297             |                           |              | rcu_read_lock()
298             |                           |              | rcu_read_unlock()
299             |        rcu_dereference()  |              |
300        +---------+                      |              |
301        | updater |<---------------------+              |
302        +---------+                                     V
303             |                                    +-----------+
304             +----------------------------------->| reclaimer |
305                                                  +-----------+
306               Defer:
307               synchronize_rcu() & call_rcu()
308
309
310 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
311 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
312 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
313 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
314 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
315 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
316
317 There are no fewer than three RCU mechanisms in the Linux kernel; the
318 diagram above shows the first one, which is by far the most commonly used.
319 The rcu_dereference() and rcu_assign_pointer() primitives are used for
320 all three mechanisms, but different defer and protect primitives are
321 used as follows:
322
323         Defer                   Protect
324
325 a.      synchronize_rcu()       rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
326         call_rcu()
327
328 b.      call_rcu_bh()           rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
329
330 c.      synchronize_sched()     rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
331                                 preempt_disable() / preempt_enable()
332                                 local_irq_save() / local_irq_restore()
333                                 hardirq enter / hardirq exit
334                                 NMI enter / NMI exit
335
336 These three mechanisms are used as follows:
337
338 a.      RCU applied to normal data structures.
339
340 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
341         to remote denial-of-service attacks.
342
343 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
344
345 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
346 for specialized uses, but are relatively uncommon.
347
348
349 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
350
351 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
352 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
353 uses of RCU may be found in listRCU.txt, arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
354
355         struct foo {
356                 int a;
357                 char b;
358                 long c;
359         };
360         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
361
362         struct foo *gbl_foo;
363
364         /*
365          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
366          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
367          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
368          * frees up the old structure after a grace period.
369          *
370          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
371          * see the initialized version of the new structure.
372          *
373          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
374          * have references to the old structure complete before freeing
375          * the old structure.
376          */
377         void foo_update_a(int new_a)
378         {
379                 struct foo *new_fp;
380                 struct foo *old_fp;
381
382                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
383                 spin_lock(&foo_mutex);
384                 old_fp = gbl_foo;
385                 *new_fp = *old_fp;
386                 new_fp->a = new_a;
387                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
388                 spin_unlock(&foo_mutex);
389                 synchronize_rcu();
390                 kfree(old_fp);
391         }
392
393         /*
394          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
395          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
396          * to ensure that the structure does not get deleted out
397          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
398          * we see the initialized version of the structure (important
399          * for DEC Alpha and for people reading the code).
400          */
401         int foo_get_a(void)
402         {
403                 int retval;
404
405                 rcu_read_lock();
406                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
407                 rcu_read_unlock();
408                 return retval;
409         }
410
411 So, to sum up:
412
413 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
414         read-side critical sections.
415
416 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
417         to dereference RCU-protected pointers.
418
419 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
420         keep concurrent updates from interfering with each other.
421
422 o       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
423         This primitive protects concurrent readers from the updater,
424         -not- concurrent updates from each other!  You therefore still
425         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
426         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
427
428 o       Use synchronize_rcu() -after- removing a data element from an
429         RCU-protected data structure, but -before- reclaiming/freeing
430         the data element, in order to wait for the completion of all
431         RCU read-side critical sections that might be referencing that
432         data item.
433
434 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
435 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.txt,
436 arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
437
438
439 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
440
441 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
442 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
443 long -- there might be other high-priority work to be done.
444
445 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
446 The call_rcu() API is as follows:
447
448         void call_rcu(struct rcu_head * head,
449                       void (*func)(struct rcu_head *head));
450
451 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
452 This invocation might happen from either softirq or process context,
453 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
454 have an rcu_head structure added, perhaps as follows:
455
456         struct foo {
457                 int a;
458                 char b;
459                 long c;
460                 struct rcu_head rcu;
461         };
462
463 The foo_update_a() function might then be written as follows:
464
465         /*
466          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
467          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
468          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
469          * frees up the old structure after a grace period.
470          *
471          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
472          * see the initialized version of the new structure.
473          *
474          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
475          * references to the old structure complete before freeing the
476          * old structure.
477          */
478         void foo_update_a(int new_a)
479         {
480                 struct foo *new_fp;
481                 struct foo *old_fp;
482
483                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
484                 spin_lock(&foo_mutex);
485                 old_fp = gbl_foo;
486                 *new_fp = *old_fp;
487                 new_fp->a = new_a;
488                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
489                 spin_unlock(&foo_mutex);
490                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
491         }
492
493 The foo_reclaim() function might appear as follows:
494
495         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
496         {
497                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
498
499                 kfree(fp);
500         }
501
502 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
503 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
504 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
505
506 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
507 immediately regain control, without needing to worry further about the
508 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
509 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
510 namely foo_reclaim().
511
512 The summary of advice is the same as for the previous section, except
513 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
514
515 o       Use call_rcu() -after- removing a data element from an
516         RCU-protected data structure in order to register a callback
517         function that will be invoked after the completion of all RCU
518         read-side critical sections that might be referencing that
519         data item.
520
521 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
522
523
524 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
525
526 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
527 implementations that are a good first step towards understanding the
528 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
529 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
530 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
531 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
532 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
533 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcupdate.c for a
534 production-quality implementation, and see:
535
536         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
537
538 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
539 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
540 more details on the current implementation as of early 2004.
541
542
543 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
544
545 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
546 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
547 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
548 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
549 one read-side critical section to another.
550
551 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
552 a good starting point.
553
554 It is extremely simple:
555
556         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
557
558         void rcu_read_lock(void)
559         {
560                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
561         }
562
563         void rcu_read_unlock(void)
564         {
565                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
566         }
567
568         void synchronize_rcu(void)
569         {
570                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
571                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
572         }
573
574 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without
575 missing much.  But here they are anyway.  And whatever you do, don't
576 forget about them when submitting patches making use of RCU!]
577
578         #define rcu_assign_pointer(p, v)        ({ \
579                                                         smp_wmb(); \
580                                                         (p) = (v); \
581                                                 })
582
583         #define rcu_dereference(p)     ({ \
584                                         typeof(p) _________p1 = p; \
585                                         smp_read_barrier_depends(); \
586                                         (_________p1); \
587                                         })
588
589
590 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
591 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
592 primitive write-acquires this same lock, then immediately releases
593 it.  This means that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side
594 critical sections that were in progress before synchronize_rcu() was
595 called are guaranteed to have completed -- there is no way that
596 synchronize_rcu() would have been able to write-acquire the lock
597 otherwise.
598
599 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
600 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
601 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
602 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
603 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
604 so there can be no deadlock cycle.
605
606 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
607                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
608                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
609
610
611 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
612
613 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
614 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
615 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
616 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
617 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
618
619         void rcu_read_lock(void) { }
620
621         void rcu_read_unlock(void) { }
622
623         void synchronize_rcu(void)
624         {
625                 int cpu;
626
627                 for_each_possible_cpu(cpu)
628                         run_on(cpu);
629         }
630
631 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
632 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
633 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
634 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
635 participate in a deadlock cycle!
636
637 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
638 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
639 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
640 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
641 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
642 "toy", I meant -toy-!
643
644 So how the heck is this supposed to work???
645
646 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
647 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
648 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
649 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
650 RCU read-side critical sections will have completed.
651
652 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
653 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
654 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
655 to that data item, so we can safely reclaim it.
656
657 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
658                 overhead is -negative-.
659
660 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
661                 critical section, what the heck do you do in
662                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
663
664
665 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
666
667 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
668 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
669 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
670
671         @@ -13,15 +14,15 @@
672                 struct list_head *lp;
673                 struct el *p;
674
675         -       read_lock();
676         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
677         +       rcu_read_lock();
678         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
679                         if (p->key == key) {
680                                 *result = p->data;
681         -                       read_unlock();
682         +                       rcu_read_unlock();
683                                 return 1;
684                         }
685                 }
686         -       read_unlock();
687         +       rcu_read_unlock();
688                 return 0;
689          }
690
691         @@ -29,15 +30,16 @@
692          {
693                 struct el *p;
694
695         -       write_lock(&listmutex);
696         +       spin_lock(&listmutex);
697                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
698                         if (p->key == key) {
699         -                       list_del(&p->list);
700         -                       write_unlock(&listmutex);
701         +                       list_del_rcu(&p->list);
702         +                       spin_unlock(&listmutex);
703         +                       synchronize_rcu();
704                                 kfree(p);
705                                 return 1;
706                         }
707                 }
708         -       write_unlock(&listmutex);
709         +       spin_unlock(&listmutex);
710                 return 0;
711          }
712
713 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
714
715  1 struct el {                          1 struct el {
716  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
717  3   long key;                          3   long key;
718  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
719  5   int data;                          5   int data;
720  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
721  7 };                                   7 };
722  8 spinlock_t listmutex;                8 spinlock_t listmutex;
723  9 struct el head;                      9 struct el head;
724
725  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
726  2 {                                    2 {
727  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
728  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
729  5                                      5
730  6   read_lock();                       6   rcu_read_lock();
731  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
732  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
733  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
734 10       read_unlock();                10       rcu_read_unlock();
735 11       return 1;                     11       return 1;
736 12     }                               12     }
737 13   }                                 13   }
738 14   read_unlock();                    14   rcu_read_unlock();
739 15   return 0;                         15   return 0;
740 16 }                                   16 }
741
742  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
743  2 {                                    2 {
744  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
745  4                                      4
746  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
747  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
748  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
749  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
750  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
751                                        10       synchronize_rcu();
752 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
753 11       return 1;                     12       return 1;
754 12     }                               13     }
755 13   }                                 14   }
756 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
757 15   return 0;                         16   return 0;
758 16 }                                   17 }
759
760 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
761 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
762 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
763 precedes the kfree().
764
765 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
766 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
767 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
768 For example, if multiple independent list updates must be seen as
769 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
770
771 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
772 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
773 mechanism that never blocks, namely call_rcu(), that can be used in
774 place of synchronize_rcu().
775
776
777 7.  FULL LIST OF RCU APIs
778
779 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
780 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
781 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
782 in docbook.  Here is the list, by category.
783
784 RCU pointer/list traversal:
785
786         rcu_dereference
787         list_for_each_entry_rcu
788         hlist_for_each_entry_rcu
789         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
790
791         list_for_each_continue_rcu      (to be deprecated in favor of new
792                                          list_for_each_entry_continue_rcu)
793
794 RCU pointer/list update:
795
796         rcu_assign_pointer
797         list_add_rcu
798         list_add_tail_rcu
799         list_del_rcu
800         list_replace_rcu
801         hlist_del_rcu
802         hlist_add_after_rcu
803         hlist_add_before_rcu
804         hlist_add_head_rcu
805         hlist_replace_rcu
806         list_splice_init_rcu()
807
808 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
809
810         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
811         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
812                                 synchronize_rcu_expedited
813                                 call_rcu
814
815
816 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
817
818         rcu_read_lock_bh        call_rcu_bh             rcu_barrier_bh
819         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu_bh
820                                 synchronize_rcu_bh_expedited
821
822
823 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
824
825         rcu_read_lock_sched     synchronize_sched       rcu_barrier_sched
826         rcu_read_unlock_sched   call_rcu_sched
827         [preempt_disable]       synchronize_sched_expedited
828         [and friends]
829
830
831 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
832
833         srcu_read_lock          synchronize_srcu        N/A
834         srcu_read_unlock        synchronize_srcu_expedited
835
836 SRCU:   Initialization/cleanup
837         init_srcu_struct
838         cleanup_srcu_struct
839
840 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
841 from them) for more information.
842
843
844 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
845
846 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
847                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
848                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
849                 algorithm.]
850
851 Answer:         Consider the following sequence of events:
852
853                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
854                         "problematic_lock", disabling irq via
855                         spin_lock_irqsave().
856
857                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
858                         rcu_gp_mutex.
859
860                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
861                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
862
863                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
864                         attempts to acquire problematic_lock.
865
866                 The system is now deadlocked.
867
868                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
869                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
870                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
871                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
872                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
873                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
874
875                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
876                 allows latency to "bleed" from readers to other
877                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
878                 consider task A in an RCU read-side critical section
879                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
880                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
881                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
882                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
883                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
884                 task B.
885
886                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
887                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
888                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
889
890 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
891                 overhead is -negative-.
892
893 Answer:         Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
894                 kernel where a routing table is used by process-context
895                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
896                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
897                 this would be to have the process-context code disable
898                 interrupts while searching the routing table.  Use of
899                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
900                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
901                 and with RCU you don't.
902
903                 One can argue that the overhead of RCU in this
904                 case is negative with respect to the single-CPU
905                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
906                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
907                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
908                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
909                 negative overhead.
910
911                 In real life, of course, things are more complex.  But
912                 even the theoretical possibility of negative overhead for
913                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
914
915 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
916                 critical section, what the heck do you do in
917                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
918
919 Answer:         Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
920                 critical sections, it permits preemption of RCU
921                 read-side critical sections.  It also permits
922                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
923                 sections.
924
925                 Why the apparent inconsistency?  Because it is it
926                 possible to use priority boosting to keep the RCU
927                 grace periods short if need be (for example, if running
928                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
929                 for (say) network reception, there is no way to know
930                 what should be boosted.  Especially given that the
931                 process we need to boost might well be a human being
932                 who just went out for a pizza or something.  And although
933                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
934                 interest, it might also provoke serious objections.
935                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
936                 the human being went to???
937
938
939 ACKNOWLEDGEMENTS
940
941 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
942 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
943
944
945 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.