]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-linux.git/blob - Documentation/RCU/whatisRCU.txt
Merge branch 'for-4.8/core' of git://git.kernel.dk/linux-block
[karo-tx-linux.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 4.      The RCU API, 2010 Edition    http://lwn.net/Articles/418853/
8         2010 Big API Table           http://lwn.net/Articles/419086/
9 5.      The RCU API, 2014 Edition    http://lwn.net/Articles/609904/
10         2014 Big API Table           http://lwn.net/Articles/609973/
11
12
13 What is RCU?
14
15 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
16 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
17 situations.  Although RCU is actually quite simple once you understand it,
18 getting there can sometimes be a challenge.  Part of the problem is that
19 most of the past descriptions of RCU have been written with the mistaken
20 assumption that there is "one true way" to describe RCU.  Instead,
21 the experience has been that different people must take different paths
22 to arrive at an understanding of RCU.  This document provides several
23 different paths, as follows:
24
25 1.      RCU OVERVIEW
26 2.      WHAT IS RCU'S CORE API?
27 3.      WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
28 4.      WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
29 5.      WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
30 6.      ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
31 7.      FULL LIST OF RCU APIs
32 8.      ANSWERS TO QUICK QUIZZES
33
34 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
35 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
36 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
37 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
38 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
39 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
40 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
41 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
42 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
43
44 So, start with the section that makes the most sense to you and your
45 preferred method of learning.  If you need to know everything about
46 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
47 that type of person, you have perused the source code and will therefore
48 never need this document anyway.  ;-)
49
50
51 1.  RCU OVERVIEW
52
53 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
54 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
55 within a data structure (possibly by replacing them with references to
56 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
57 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
58 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
59 either the old or the new version of the data structure rather than a
60 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
61 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
62 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
63 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
64 not start until readers no longer hold references to those data items.
65
66 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
67 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
68 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
69 completed, either by blocking until they finish or by registering a
70 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
71 during the removal phase need be considered, because any reader starting
72 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
73 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
74
75 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
76
77 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
78         readers cannot gain a reference to it.
79
80 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
81         critical sections.
82
83 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
84         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
85         (e.g., kfree()d).
86
87 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
88 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
89 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
90 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
91 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
92 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
93 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
94 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
95 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
96 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
97 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
98 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
99 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
100 and communications cache misses that are so expensive on present-day
101 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
102
103 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
104 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
105 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
106 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
107 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
108 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
109 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
110 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
111 and reclaimers, namely, in step (b) above.
112
113 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
114 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
115 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
116
117
118 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
119
120 The core RCU API is quite small:
121
122 a.      rcu_read_lock()
123 b.      rcu_read_unlock()
124 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
125 d.      rcu_assign_pointer()
126 e.      rcu_dereference()
127
128 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
129 expressed in terms of these five, though most implementations instead
130 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
131
132 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
133 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
134 at the function header comments.
135
136 rcu_read_lock()
137
138         void rcu_read_lock(void);
139
140         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
141         entering an RCU read-side critical section.  It is illegal
142         to block while in an RCU read-side critical section, though
143         kernels built with CONFIG_PREEMPT_RCU can preempt RCU
144         read-side critical sections.  Any RCU-protected data structure
145         accessed during an RCU read-side critical section is guaranteed to
146         remain unreclaimed for the full duration of that critical section.
147         Reference counts may be used in conjunction with RCU to maintain
148         longer-term references to data structures.
149
150 rcu_read_unlock()
151
152         void rcu_read_unlock(void);
153
154         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
155         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
156         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
157
158 synchronize_rcu()
159
160         void synchronize_rcu(void);
161
162         Marks the end of updater code and the beginning of reclaimer
163         code.  It does this by blocking until all pre-existing RCU
164         read-side critical sections on all CPUs have completed.
165         Note that synchronize_rcu() will -not- necessarily wait for
166         any subsequent RCU read-side critical sections to complete.
167         For example, consider the following sequence of events:
168
169                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
170              ----------------- ------------------------- ---------------
171          1.  rcu_read_lock()
172          2.                    enters synchronize_rcu()
173          3.                                               rcu_read_lock()
174          4.  rcu_read_unlock()
175          5.                     exits synchronize_rcu()
176          6.                                              rcu_read_unlock()
177
178         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
179         read-side critical sections to complete, not necessarily for
180         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
181
182         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
183         -immediately- after the last pre-existing RCU read-side critical
184         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
185         delays.  For another thing, many RCU implementations process
186         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
187         further delay synchronize_rcu().
188
189         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
190         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
191         to be useful in all but the most read-intensive situations,
192         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
193
194         The call_rcu() API is a callback form of synchronize_rcu(),
195         and is described in more detail in a later section.  Instead of
196         blocking, it registers a function and argument which are invoked
197         after all ongoing RCU read-side critical sections have completed.
198         This callback variant is particularly useful in situations where
199         it is illegal to block or where update-side performance is
200         critically important.
201
202         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
203         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
204         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
205         of automatically limiting update rate should grace periods
206         be delayed.  This property results in system resilience in face
207         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
208         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
209         checklist.txt for some approaches to limiting the update rate.
210
211 rcu_assign_pointer()
212
213         typeof(p) rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
214
215         Yes, rcu_assign_pointer() -is- implemented as a macro, though it
216         would be cool to be able to declare a function in this manner.
217         (Compiler experts will no doubt disagree.)
218
219         The updater uses this function to assign a new value to an
220         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
221         in value from the updater to the reader.  This function returns
222         the new value, and also executes any memory-barrier instructions
223         required for a given CPU architecture.
224
225         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
226         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
227         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
228         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
229         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
230
231 rcu_dereference()
232
233         typeof(p) rcu_dereference(p);
234
235         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
236         as a macro.
237
238         The reader uses rcu_dereference() to fetch an RCU-protected
239         pointer, which returns a value that may then be safely
240         dereferenced.  Note that rcu_deference() does not actually
241         dereference the pointer, instead, it protects the pointer for
242         later dereferencing.  It also executes any needed memory-barrier
243         instructions for a given CPU architecture.  Currently, only Alpha
244         needs memory barriers within rcu_dereference() -- on other CPUs,
245         it compiles to nothing, not even a compiler directive.
246
247         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
248         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
249         this local variable, for example as follows:
250
251                 p = rcu_dereference(head.next);
252                 return p->data;
253
254         However, in this case, one could just as easily combine these
255         into one statement:
256
257                 return rcu_dereference(head.next)->data;
258
259         If you are going to be fetching multiple fields from the
260         RCU-protected structure, using the local variable is of
261         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
262         ugly, do not guarantee that the same pointer will be returned
263         if an update happened while in the critical section, and incur
264         unnecessary overhead on Alpha CPUs.
265
266         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
267         only within the enclosing RCU read-side critical section.
268         For example, the following is -not- legal:
269
270                 rcu_read_lock();
271                 p = rcu_dereference(head.next);
272                 rcu_read_unlock();
273                 x = p->address; /* BUG!!! */
274                 rcu_read_lock();
275                 y = p->data;    /* BUG!!! */
276                 rcu_read_unlock();
277
278         Holding a reference from one RCU read-side critical section
279         to another is just as illegal as holding a reference from
280         one lock-based critical section to another!  Similarly,
281         using a reference outside of the critical section in which
282         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
283         locking.
284
285         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
286         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
287         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
288         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
289         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
290         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
291         primitives, such as list_for_each_entry_rcu().
292
293 The following diagram shows how each API communicates among the
294 reader, updater, and reclaimer.
295
296
297             rcu_assign_pointer()
298                                     +--------+
299             +---------------------->| reader |---------+
300             |                       +--------+         |
301             |                           |              |
302             |                           |              | Protect:
303             |                           |              | rcu_read_lock()
304             |                           |              | rcu_read_unlock()
305             |        rcu_dereference()  |              |
306        +---------+                      |              |
307        | updater |<---------------------+              |
308        +---------+                                     V
309             |                                    +-----------+
310             +----------------------------------->| reclaimer |
311                                                  +-----------+
312               Defer:
313               synchronize_rcu() & call_rcu()
314
315
316 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
317 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
318 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
319 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
320 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
321 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
322
323 There are no fewer than three RCU mechanisms in the Linux kernel; the
324 diagram above shows the first one, which is by far the most commonly used.
325 The rcu_dereference() and rcu_assign_pointer() primitives are used for
326 all three mechanisms, but different defer and protect primitives are
327 used as follows:
328
329         Defer                   Protect
330
331 a.      synchronize_rcu()       rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
332         call_rcu()              rcu_dereference()
333
334 b.      synchronize_rcu_bh()    rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
335         call_rcu_bh()           rcu_dereference_bh()
336
337 c.      synchronize_sched()     rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
338         call_rcu_sched()        preempt_disable() / preempt_enable()
339                                 local_irq_save() / local_irq_restore()
340                                 hardirq enter / hardirq exit
341                                 NMI enter / NMI exit
342                                 rcu_dereference_sched()
343
344 These three mechanisms are used as follows:
345
346 a.      RCU applied to normal data structures.
347
348 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
349         to remote denial-of-service attacks.
350
351 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
352
353 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
354 for specialized uses, but are relatively uncommon.
355
356
357 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
358
359 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
360 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
361 uses of RCU may be found in listRCU.txt, arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
362
363         struct foo {
364                 int a;
365                 char b;
366                 long c;
367         };
368         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
369
370         struct foo __rcu *gbl_foo;
371
372         /*
373          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
374          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
375          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
376          * frees up the old structure after a grace period.
377          *
378          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
379          * see the initialized version of the new structure.
380          *
381          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
382          * have references to the old structure complete before freeing
383          * the old structure.
384          */
385         void foo_update_a(int new_a)
386         {
387                 struct foo *new_fp;
388                 struct foo *old_fp;
389
390                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
391                 spin_lock(&foo_mutex);
392                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
393                 *new_fp = *old_fp;
394                 new_fp->a = new_a;
395                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
396                 spin_unlock(&foo_mutex);
397                 synchronize_rcu();
398                 kfree(old_fp);
399         }
400
401         /*
402          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
403          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
404          * to ensure that the structure does not get deleted out
405          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
406          * we see the initialized version of the structure (important
407          * for DEC Alpha and for people reading the code).
408          */
409         int foo_get_a(void)
410         {
411                 int retval;
412
413                 rcu_read_lock();
414                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
415                 rcu_read_unlock();
416                 return retval;
417         }
418
419 So, to sum up:
420
421 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
422         read-side critical sections.
423
424 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
425         to dereference RCU-protected pointers.
426
427 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
428         keep concurrent updates from interfering with each other.
429
430 o       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
431         This primitive protects concurrent readers from the updater,
432         -not- concurrent updates from each other!  You therefore still
433         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
434         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
435
436 o       Use synchronize_rcu() -after- removing a data element from an
437         RCU-protected data structure, but -before- reclaiming/freeing
438         the data element, in order to wait for the completion of all
439         RCU read-side critical sections that might be referencing that
440         data item.
441
442 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
443 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.txt,
444 arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
445
446
447 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
448
449 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
450 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
451 long -- there might be other high-priority work to be done.
452
453 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
454 The call_rcu() API is as follows:
455
456         void call_rcu(struct rcu_head * head,
457                       void (*func)(struct rcu_head *head));
458
459 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
460 This invocation might happen from either softirq or process context,
461 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
462 have an rcu_head structure added, perhaps as follows:
463
464         struct foo {
465                 int a;
466                 char b;
467                 long c;
468                 struct rcu_head rcu;
469         };
470
471 The foo_update_a() function might then be written as follows:
472
473         /*
474          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
475          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
476          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
477          * frees up the old structure after a grace period.
478          *
479          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
480          * see the initialized version of the new structure.
481          *
482          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
483          * references to the old structure complete before freeing the
484          * old structure.
485          */
486         void foo_update_a(int new_a)
487         {
488                 struct foo *new_fp;
489                 struct foo *old_fp;
490
491                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
492                 spin_lock(&foo_mutex);
493                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
494                 *new_fp = *old_fp;
495                 new_fp->a = new_a;
496                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
497                 spin_unlock(&foo_mutex);
498                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
499         }
500
501 The foo_reclaim() function might appear as follows:
502
503         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
504         {
505                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
506
507                 foo_cleanup(fp->a);
508
509                 kfree(fp);
510         }
511
512 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
513 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
514 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
515
516 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
517 immediately regain control, without needing to worry further about the
518 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
519 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
520 namely foo_reclaim().
521
522 The summary of advice is the same as for the previous section, except
523 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
524
525 o       Use call_rcu() -after- removing a data element from an
526         RCU-protected data structure in order to register a callback
527         function that will be invoked after the completion of all RCU
528         read-side critical sections that might be referencing that
529         data item.
530
531 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
532 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
533 to avoid having to write your own callback:
534
535         kfree_rcu(old_fp, rcu);
536
537 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
538
539
540 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
541
542 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
543 implementations that are a good first step towards understanding the
544 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
545 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
546 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
547 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
548 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
549 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcupdate.c for a
550 production-quality implementation, and see:
551
552         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
553
554 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
555 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
556 more details on the current implementation as of early 2004.
557
558
559 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
560
561 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
562 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
563 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
564 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
565 one read-side critical section to another.
566
567 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
568 a good starting point.
569
570 It is extremely simple:
571
572         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
573
574         void rcu_read_lock(void)
575         {
576                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
577         }
578
579         void rcu_read_unlock(void)
580         {
581                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
582         }
583
584         void synchronize_rcu(void)
585         {
586                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
587                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
588         }
589
590 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without
591 missing much.  But here they are anyway.  And whatever you do, don't
592 forget about them when submitting patches making use of RCU!]
593
594         #define rcu_assign_pointer(p, v)        ({ \
595                                                         smp_wmb(); \
596                                                         (p) = (v); \
597                                                 })
598
599         #define rcu_dereference(p)     ({ \
600                                         typeof(p) _________p1 = p; \
601                                         smp_read_barrier_depends(); \
602                                         (_________p1); \
603                                         })
604
605
606 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
607 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
608 primitive write-acquires this same lock, then immediately releases
609 it.  This means that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side
610 critical sections that were in progress before synchronize_rcu() was
611 called are guaranteed to have completed -- there is no way that
612 synchronize_rcu() would have been able to write-acquire the lock
613 otherwise.
614
615 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
616 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
617 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
618 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
619 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
620 so there can be no deadlock cycle.
621
622 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
623                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
624                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
625
626
627 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
628
629 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
630 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
631 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
632 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
633 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
634
635         void rcu_read_lock(void) { }
636
637         void rcu_read_unlock(void) { }
638
639         void synchronize_rcu(void)
640         {
641                 int cpu;
642
643                 for_each_possible_cpu(cpu)
644                         run_on(cpu);
645         }
646
647 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
648 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
649 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
650 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
651 participate in a deadlock cycle!
652
653 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
654 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
655 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
656 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
657 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
658 "toy", I meant -toy-!
659
660 So how the heck is this supposed to work???
661
662 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
663 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
664 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
665 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
666 RCU read-side critical sections will have completed.
667
668 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
669 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
670 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
671 to that data item, so we can safely reclaim it.
672
673 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
674                 overhead is -negative-.
675
676 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
677                 critical section, what the heck do you do in
678                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
679
680
681 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
682
683 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
684 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
685 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
686
687         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
688                 int data;
689                 /* Other data fields */
690          };
691         -rwlock_t listmutex;
692         +spinlock_t listmutex;
693          struct el head;
694
695         @@ -13,15 +14,15 @@
696                 struct list_head *lp;
697                 struct el *p;
698
699         -       read_lock(&listmutex);
700         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
701         +       rcu_read_lock();
702         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
703                         if (p->key == key) {
704                                 *result = p->data;
705         -                       read_unlock(&listmutex);
706         +                       rcu_read_unlock();
707                                 return 1;
708                         }
709                 }
710         -       read_unlock(&listmutex);
711         +       rcu_read_unlock();
712                 return 0;
713          }
714
715         @@ -29,15 +30,16 @@
716          {
717                 struct el *p;
718
719         -       write_lock(&listmutex);
720         +       spin_lock(&listmutex);
721                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
722                         if (p->key == key) {
723         -                       list_del(&p->list);
724         -                       write_unlock(&listmutex);
725         +                       list_del_rcu(&p->list);
726         +                       spin_unlock(&listmutex);
727         +                       synchronize_rcu();
728                                 kfree(p);
729                                 return 1;
730                         }
731                 }
732         -       write_unlock(&listmutex);
733         +       spin_unlock(&listmutex);
734                 return 0;
735          }
736
737 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
738
739  1 struct el {                          1 struct el {
740  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
741  3   long key;                          3   long key;
742  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
743  5   int data;                          5   int data;
744  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
745  7 };                                   7 };
746  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
747  9 struct el head;                      9 struct el head;
748
749  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
750  2 {                                    2 {
751  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
752  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
753  5                                      5
754  6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
755  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
756  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
757  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
758 10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
759 11       return 1;                     11       return 1;
760 12     }                               12     }
761 13   }                                 13   }
762 14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
763 15   return 0;                         15   return 0;
764 16 }                                   16 }
765
766  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
767  2 {                                    2 {
768  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
769  4                                      4
770  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
771  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
772  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
773  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
774  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
775                                        10       synchronize_rcu();
776 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
777 11       return 1;                     12       return 1;
778 12     }                               13     }
779 13   }                                 14   }
780 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
781 15   return 0;                         16   return 0;
782 16 }                                   17 }
783
784 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
785 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
786 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
787 precedes the kfree().
788
789 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
790 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
791 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
792 For example, if multiple independent list updates must be seen as
793 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
794
795 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
796 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
797 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
798 be used in place of synchronize_rcu().
799
800
801 7.  FULL LIST OF RCU APIs
802
803 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
804 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
805 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
806 in docbook.  Here is the list, by category.
807
808 RCU list traversal:
809
810         list_entry_rcu
811         list_first_entry_rcu
812         list_next_rcu
813         list_for_each_entry_rcu
814         list_for_each_entry_continue_rcu
815         hlist_first_rcu
816         hlist_next_rcu
817         hlist_pprev_rcu
818         hlist_for_each_entry_rcu
819         hlist_for_each_entry_rcu_bh
820         hlist_for_each_entry_continue_rcu
821         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
822         hlist_nulls_first_rcu
823         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
824         hlist_bl_first_rcu
825         hlist_bl_for_each_entry_rcu
826
827 RCU pointer/list update:
828
829         rcu_assign_pointer
830         list_add_rcu
831         list_add_tail_rcu
832         list_del_rcu
833         list_replace_rcu
834         hlist_add_behind_rcu
835         hlist_add_before_rcu
836         hlist_add_head_rcu
837         hlist_del_rcu
838         hlist_del_init_rcu
839         hlist_replace_rcu
840         list_splice_init_rcu()
841         hlist_nulls_del_init_rcu
842         hlist_nulls_del_rcu
843         hlist_nulls_add_head_rcu
844         hlist_bl_add_head_rcu
845         hlist_bl_del_init_rcu
846         hlist_bl_del_rcu
847         hlist_bl_set_first_rcu
848
849 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
850
851         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
852         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
853         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
854         rcu_read_lock_held      call_rcu
855         rcu_dereference_check   kfree_rcu
856         rcu_dereference_protected
857
858 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
859
860         rcu_read_lock_bh        call_rcu_bh             rcu_barrier_bh
861         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu_bh
862         rcu_dereference_bh      synchronize_rcu_bh_expedited
863         rcu_dereference_bh_check
864         rcu_dereference_bh_protected
865         rcu_read_lock_bh_held
866
867 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
868
869         rcu_read_lock_sched     synchronize_sched       rcu_barrier_sched
870         rcu_read_unlock_sched   call_rcu_sched
871         [preempt_disable]       synchronize_sched_expedited
872         [and friends]
873         rcu_read_lock_sched_notrace
874         rcu_read_unlock_sched_notrace
875         rcu_dereference_sched
876         rcu_dereference_sched_check
877         rcu_dereference_sched_protected
878         rcu_read_lock_sched_held
879
880
881 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
882
883         srcu_read_lock          synchronize_srcu        srcu_barrier
884         srcu_read_unlock        call_srcu
885         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
886         srcu_dereference_check
887         srcu_read_lock_held
888
889 SRCU:   Initialization/cleanup
890         init_srcu_struct
891         cleanup_srcu_struct
892
893 All:  lockdep-checked RCU-protected pointer access
894
895         rcu_access_pointer
896         rcu_dereference_raw
897         RCU_LOCKDEP_WARN
898         rcu_sleep_check
899         RCU_NONIDLE
900
901 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
902 from them) for more information.
903
904 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
905 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
906 list can be helpful:
907
908 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
909
910 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
911         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
912         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
913         necessary.
914
915 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
916         and code segments with preemption disabled (whether
917         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
918         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
919         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
920
921 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
922         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
923         example, is your code subject to network-based denial-of-service
924         attacks?  If so, you need RCU-bh.
925
926 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
927         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
928         If so, consider SLAB_DESTROY_BY_RCU.  But please be careful!
929
930 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
931         even though they are in the middle of the idle loop, during
932         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
933         only choice that will work for you.
934
935 g.      Otherwise, use RCU.
936
937 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
938 the right tool for your job.
939
940
941 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
942
943 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
944                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
945                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
946                 algorithm.]
947
948 Answer:         Consider the following sequence of events:
949
950                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
951                         "problematic_lock", disabling irq via
952                         spin_lock_irqsave().
953
954                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
955                         rcu_gp_mutex.
956
957                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
958                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
959
960                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
961                         attempts to acquire problematic_lock.
962
963                 The system is now deadlocked.
964
965                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
966                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
967                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
968                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
969                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
970                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
971
972                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
973                 allows latency to "bleed" from readers to other
974                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
975                 consider task A in an RCU read-side critical section
976                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
977                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
978                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
979                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
980                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
981                 task B.
982
983                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
984                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
985                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
986
987 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
988                 overhead is -negative-.
989
990 Answer:         Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
991                 kernel where a routing table is used by process-context
992                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
993                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
994                 this would be to have the process-context code disable
995                 interrupts while searching the routing table.  Use of
996                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
997                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
998                 and with RCU you don't.
999
1000                 One can argue that the overhead of RCU in this
1001                 case is negative with respect to the single-CPU
1002                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1003                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1004                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1005                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1006                 negative overhead.
1007
1008                 In real life, of course, things are more complex.  But
1009                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1010                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1011
1012 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
1013                 critical section, what the heck do you do in
1014                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1015
1016 Answer:         Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1017                 critical sections, it permits preemption of RCU
1018                 read-side critical sections.  It also permits
1019                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1020                 sections.
1021
1022                 Why the apparent inconsistency?  Because it is it
1023                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1024                 grace periods short if need be (for example, if running
1025                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1026                 for (say) network reception, there is no way to know
1027                 what should be boosted.  Especially given that the
1028                 process we need to boost might well be a human being
1029                 who just went out for a pizza or something.  And although
1030                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1031                 interest, it might also provoke serious objections.
1032                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1033                 the human being went to???
1034
1035
1036 ACKNOWLEDGEMENTS
1037
1038 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1039 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1040
1041
1042 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.