RCU的那点事

阅读背景：《锁，知其然知其所以然》

上一篇介绍了锁的原理和作用，在最后提到了RCU(Read-copy-update)。对于读多写少的场景，RCU可以解决读写锁的很多弊端。当然，不得不承认，RCU本身还是得依赖于锁。RCU的实现，实质上是使用更多的空间，换来时间上的减少，也就是以空间换时间。事实上，在计算机科学中，时间与空间的权衡(Space–time tradeoff)是无处不在的。

对于读写锁，不可避免会遇到下面这些问题：

1. 当有线程占有写锁的时候，任何其他线程都不能再获取到读锁或写锁。

2. 当有线程占有读锁的时候，任何其他线程可以获取到读锁，但不能有任何线程获取到写锁去修改临界区。

3. 资源已经被加上读锁时，如果有线程尝试获取写锁，需要尽快得到满足，避免写锁饥饿。

对于以上的问题，RCU都能很好的避开。

1. RCU可以任意获取读锁，也就是对临界区的读操作总是可以得到满足的。

2. RCU写的动作实现上是先拷贝一份原有资源，然后在拷贝的备份上做修改，最后将指针指向新的资源，并在宽限期后删除原值。

3. 临界区的原始值为A，如果有线程拿到写锁修改了临界区为B，则在写锁修改临界区之后拿到的读锁获取的临界区的值为B，之前获取的为A，这些操作通过原子操作保证。

不难看出，被RCU保护的资源，可以在更新或者删除的同时，依然可以被正确读取。原理其实也很简单，通过延迟更新或者删除资源，使得读数据的线程完全感知不到加锁操作。

RCU资源是如何生成的呢？

以指针gp指向共享资源，初始值为NULL。此时无论哪个线程获取资源，都知道资源为空，不会有任何问题。此时某个线程可以在堆中申请一块资源空间，这会儿只有当前线程可以看到这块资源。也就是说，当前线程可以肆无忌惮的蹂躏这一块内存。当然，线程一般不会这么无聊，此时一般是做一些初始化以及赋值操作。完成这些之后，就需要把当前资源的地址赋值给gp了，但是需要注意的是，这里指针赋值需要使用专门的原语rcu_assign_pointer，它可以保证赋值的原子性。

RCU资源是如何删除的呢？

最开始有这样一条链表数据，现在想要删除node_2这个节点，地址为p。一般的数据删除操作会是连续的几条指令，摘链、修改指针、释放内存，这种对于有多个读写者的情况，就可能出现问题。

RCU操作则会首先修改节点前的指针，使其指向后一个节点，这样就不会有新的线程可以获取到node_2节点的资源了。当然，这个时候node_2节点指向下一个节点的指针仍然是完好无损的，这样其他占有node_2资源的线程仍然可以通过node_2读取下一个资源。RCU会等待各个线程释放对node_2资源的占用，宽限期后释放这部分资源。宽限期(Grace period)，指的就是从摘除指针，到可以释放资源之间的这段时间。

过了宽限期，就可以删除资源了。

RCU资源如何修改呢？

RCU的C指的就是Copy，其实就是在修改资源时，会先复制一份现有资源，这里的node_X其实就是node_2的拷贝。

修改资源的操作都是作用在node_X上的。修改后的node_X也是指向下一个节点node_3的。此时只需要找一个合适的机会，把node_1节点的指针指向node_X就可以了。

但是，此时还不能释放node_2的资源，因为还可能有其他线程正在使用node_2。因此需要等到宽限期后才能释放node_2的资源。

RCU最大的特点就是允许并发的读写操作，可以在现代化的对称多处理(Symmetrical Multi-Processing，SMP)系统中避开开销高昂的读取-修改-写入指令(read-modify-write instructions)、内存屏障(Memory barriers)以及高速缓存未命中(Cache misses)等情况。

当然，RCU的缺点也是有的。

• RCU本身依然依赖于锁，只是使用的更少。

• RCU需要占用更多的内存，RCU核心之一就是以空间换时间。

• RCU只适用于以读取资源为主的情况，对于更新为主的情况并不适合。

• 某些算法本身就不允许读写并发，RCU自然也就不被允许了。

这个世界本就没有最好的方法，有的只是权衡利弊之后的折衷。

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