doc: Emphasize that "toy" RCU requires recursive rwlock
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / RCU / whatisRCU.txt
blob8c131a1c62ea8e44bb28fa7fe4e71105621355cf
1 Please note that the "What is RCU?" LWN series is an excellent place
2 to start learning about RCU:
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/
13 What is RCU?
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:
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
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.
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.  ;-)
51 1.  RCU OVERVIEW
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.
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.
75 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
77 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
78         readers cannot gain a reference to it.
80 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
81         critical sections.
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).
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.
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.
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.
118 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
120 The core RCU API is quite small:
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()
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.
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.
136 rcu_read_lock()
138         void rcu_read_lock(void);
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.
150 rcu_read_unlock()
152         void rcu_read_unlock(void);
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.
158 synchronize_rcu()
160         void synchronize_rcu(void);
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:
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()
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.
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().
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.
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.
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.
211 rcu_assign_pointer()
213         typeof(p) rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
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.)
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.
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().
231 rcu_dereference()
233         typeof(p) rcu_dereference(p);
235         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
236         as a macro.
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_dereference() 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.
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:
251                 p = rcu_dereference(head.next);
252                 return p->data;
254         However, in this case, one could just as easily combine these
255         into one statement:
257                 return rcu_dereference(head.next)->data;
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.
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:
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();
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.
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().
293 The following diagram shows how each API communicates among the
294 reader, updater, and reclaimer.
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()
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.
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:
329         Defer                   Protect
331 a.      synchronize_rcu()       rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
332         call_rcu()              rcu_dereference()
334 b.      synchronize_rcu_bh()    rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
335         call_rcu_bh()           rcu_dereference_bh()
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()
344 These three mechanisms are used as follows:
346 a.      RCU applied to normal data structures.
348 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
349         to remote denial-of-service attacks.
351 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
353 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
354 for specialized uses, but are relatively uncommon.
357 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
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.
363         struct foo {
364                 int a;
365                 char b;
366                 long c;
367         };
368         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
370         struct foo __rcu *gbl_foo;
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;
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         }
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;
413                 rcu_read_lock();
414                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
415                 rcu_read_unlock();
416                 return retval;
417         }
419 So, to sum up:
421 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
422         read-side critical sections.
424 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
425         to dereference RCU-protected pointers.
427 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
428         keep concurrent updates from interfering with each other.
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.
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.
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.
447 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
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.
453 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
454 The call_rcu() API is as follows:
456         void call_rcu(struct rcu_head * head,
457                       void (*func)(struct rcu_head *head));
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:
464         struct foo {
465                 int a;
466                 char b;
467                 long c;
468                 struct rcu_head rcu;
469         };
471 The foo_update_a() function might then be written as follows:
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;
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         }
501 The foo_reclaim() function might appear as follows:
503         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
504         {
505                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
507                 foo_cleanup(fp->a);
509                 kfree(fp);
510         }
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.
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().
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():
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.
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:
535         kfree_rcu(old_fp, rcu);
537 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
540 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
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:
552         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
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.
559 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
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.  It also assumes recursive
566 reader-writer locks:  If you try this with non-recursive locks, and
567 you allow nested rcu_read_lock() calls, you can deadlock.
569 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
570 a good starting point.
572 It is extremely simple:
574         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
576         void rcu_read_lock(void)
577         {
578                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
579         }
581         void rcu_read_unlock(void)
582         {
583                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
584         }
586         void synchronize_rcu(void)
587         {
588                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
589                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
590         }
592 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without missing
593 much.  But here are simplified versions anyway.  And whatever you do,
594 don't forget about them when submitting patches making use of RCU!]
596         #define rcu_assign_pointer(p, v) \
597         ({ \
598                 smp_store_release(&(p), (v)); \
599         })
601         #define rcu_dereference(p) \
602         ({ \
603                 typeof(p) _________p1 = p; \
604                 smp_read_barrier_depends(); \
605                 (_________p1); \
606         })
609 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
610 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
611 primitive write-acquires this same lock, then immediately releases
612 it.  This means that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side
613 critical sections that were in progress before synchronize_rcu() was
614 called are guaranteed to have completed -- there is no way that
615 synchronize_rcu() would have been able to write-acquire the lock
616 otherwise.
618 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
619 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
620 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
621 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
622 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
623 so there can be no deadlock cycle.
625 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
626                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
627                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
630 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
632 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
633 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
634 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
635 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
636 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
638         void rcu_read_lock(void) { }
640         void rcu_read_unlock(void) { }
642         void synchronize_rcu(void)
643         {
644                 int cpu;
646                 for_each_possible_cpu(cpu)
647                         run_on(cpu);
648         }
650 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
651 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
652 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
653 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
654 participate in a deadlock cycle!
656 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
657 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
658 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
659 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
660 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
661 "toy", I meant -toy-!
663 So how the heck is this supposed to work???
665 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
666 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
667 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
668 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
669 RCU read-side critical sections will have completed.
671 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
672 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
673 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
674 to that data item, so we can safely reclaim it.
676 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
677                 overhead is -negative-.
679 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
680                 critical section, what the heck do you do in
681                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
684 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
686 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
687 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
688 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
690         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
691                 int data;
692                 /* Other data fields */
693          };
694         -rwlock_t listmutex;
695         +spinlock_t listmutex;
696          struct el head;
698         @@ -13,15 +14,15 @@
699                 struct list_head *lp;
700                 struct el *p;
702         -       read_lock(&listmutex);
703         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
704         +       rcu_read_lock();
705         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
706                         if (p->key == key) {
707                                 *result = p->data;
708         -                       read_unlock(&listmutex);
709         +                       rcu_read_unlock();
710                                 return 1;
711                         }
712                 }
713         -       read_unlock(&listmutex);
714         +       rcu_read_unlock();
715                 return 0;
716          }
718         @@ -29,15 +30,16 @@
719          {
720                 struct el *p;
722         -       write_lock(&listmutex);
723         +       spin_lock(&listmutex);
724                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
725                         if (p->key == key) {
726         -                       list_del(&p->list);
727         -                       write_unlock(&listmutex);
728         +                       list_del_rcu(&p->list);
729         +                       spin_unlock(&listmutex);
730         +                       synchronize_rcu();
731                                 kfree(p);
732                                 return 1;
733                         }
734                 }
735         -       write_unlock(&listmutex);
736         +       spin_unlock(&listmutex);
737                 return 0;
738          }
740 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
742  1 struct el {                          1 struct el {
743  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
744  3   long key;                          3   long key;
745  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
746  5   int data;                          5   int data;
747  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
748  7 };                                   7 };
749  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
750  9 struct el head;                      9 struct el head;
752  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
753  2 {                                    2 {
754  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
755  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
756  5                                      5
757  6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
758  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
759  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
760  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
761 10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
762 11       return 1;                     11       return 1;
763 12     }                               12     }
764 13   }                                 13   }
765 14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
766 15   return 0;                         15   return 0;
767 16 }                                   16 }
769  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
770  2 {                                    2 {
771  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
772  4                                      4
773  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
774  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
775  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
776  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
777  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
778                                        10       synchronize_rcu();
779 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
780 11       return 1;                     12       return 1;
781 12     }                               13     }
782 13   }                                 14   }
783 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
784 15   return 0;                         16   return 0;
785 16 }                                   17 }
787 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
788 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
789 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
790 precedes the kfree().
792 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
793 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
794 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
795 For example, if multiple independent list updates must be seen as
796 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
798 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
799 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
800 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
801 be used in place of synchronize_rcu().
804 7.  FULL LIST OF RCU APIs
806 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
807 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
808 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
809 in docbook.  Here is the list, by category.
811 RCU list traversal:
813         list_entry_rcu
814         list_first_entry_rcu
815         list_next_rcu
816         list_for_each_entry_rcu
817         list_for_each_entry_continue_rcu
818         hlist_first_rcu
819         hlist_next_rcu
820         hlist_pprev_rcu
821         hlist_for_each_entry_rcu
822         hlist_for_each_entry_rcu_bh
823         hlist_for_each_entry_continue_rcu
824         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
825         hlist_nulls_first_rcu
826         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
827         hlist_bl_first_rcu
828         hlist_bl_for_each_entry_rcu
830 RCU pointer/list update:
832         rcu_assign_pointer
833         list_add_rcu
834         list_add_tail_rcu
835         list_del_rcu
836         list_replace_rcu
837         hlist_add_behind_rcu
838         hlist_add_before_rcu
839         hlist_add_head_rcu
840         hlist_del_rcu
841         hlist_del_init_rcu
842         hlist_replace_rcu
843         list_splice_init_rcu()
844         hlist_nulls_del_init_rcu
845         hlist_nulls_del_rcu
846         hlist_nulls_add_head_rcu
847         hlist_bl_add_head_rcu
848         hlist_bl_del_init_rcu
849         hlist_bl_del_rcu
850         hlist_bl_set_first_rcu
852 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
854         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
855         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
856         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
857         rcu_read_lock_held      call_rcu
858         rcu_dereference_check   kfree_rcu
859         rcu_dereference_protected
861 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
863         rcu_read_lock_bh        call_rcu_bh             rcu_barrier_bh
864         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu_bh
865         rcu_dereference_bh      synchronize_rcu_bh_expedited
866         rcu_dereference_bh_check
867         rcu_dereference_bh_protected
868         rcu_read_lock_bh_held
870 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
872         rcu_read_lock_sched     synchronize_sched       rcu_barrier_sched
873         rcu_read_unlock_sched   call_rcu_sched
874         [preempt_disable]       synchronize_sched_expedited
875         [and friends]
876         rcu_read_lock_sched_notrace
877         rcu_read_unlock_sched_notrace
878         rcu_dereference_sched
879         rcu_dereference_sched_check
880         rcu_dereference_sched_protected
881         rcu_read_lock_sched_held
884 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
886         srcu_read_lock          synchronize_srcu        srcu_barrier
887         srcu_read_unlock        call_srcu
888         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
889         srcu_dereference_check
890         srcu_read_lock_held
892 SRCU:   Initialization/cleanup
893         init_srcu_struct
894         cleanup_srcu_struct
896 All:  lockdep-checked RCU-protected pointer access
898         rcu_access_pointer
899         rcu_dereference_raw
900         RCU_LOCKDEP_WARN
901         rcu_sleep_check
902         RCU_NONIDLE
904 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
905 from them) for more information.
907 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
908 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
909 list can be helpful:
911 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
913 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
914         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
915         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
916         necessary.
918 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
919         and code segments with preemption disabled (whether
920         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
921         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
922         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
924 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
925         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
926         example, is your code subject to network-based denial-of-service
927         attacks?  If so, you need RCU-bh.
929 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
930         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
931         If so, consider SLAB_DESTROY_BY_RCU.  But please be careful!
933 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
934         even though they are in the middle of the idle loop, during
935         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
936         only choice that will work for you.
938 g.      Otherwise, use RCU.
940 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
941 the right tool for your job.
944 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
946 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
947                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
948                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
949                 algorithm.]
951 Answer:         Consider the following sequence of events:
953                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
954                         "problematic_lock", disabling irq via
955                         spin_lock_irqsave().
957                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
958                         rcu_gp_mutex.
960                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
961                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
963                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
964                         attempts to acquire problematic_lock.
966                 The system is now deadlocked.
968                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
969                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
970                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
971                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
972                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
973                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
975                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
976                 allows latency to "bleed" from readers to other
977                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
978                 consider task A in an RCU read-side critical section
979                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
980                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
981                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
982                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
983                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
984                 task B.
986                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
987                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
988                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
990 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
991                 overhead is -negative-.
993 Answer:         Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
994                 kernel where a routing table is used by process-context
995                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
996                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
997                 this would be to have the process-context code disable
998                 interrupts while searching the routing table.  Use of
999                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
1000                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
1001                 and with RCU you don't.
1003                 One can argue that the overhead of RCU in this
1004                 case is negative with respect to the single-CPU
1005                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1006                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1007                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1008                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1009                 negative overhead.
1011                 In real life, of course, things are more complex.  But
1012                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1013                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1015 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
1016                 critical section, what the heck do you do in
1017                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1019 Answer:         Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1020                 critical sections, it permits preemption of RCU
1021                 read-side critical sections.  It also permits
1022                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1023                 sections.
1025                 Why the apparent inconsistency?  Because it is it
1026                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1027                 grace periods short if need be (for example, if running
1028                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1029                 for (say) network reception, there is no way to know
1030                 what should be boosted.  Especially given that the
1031                 process we need to boost might well be a human being
1032                 who just went out for a pizza or something.  And although
1033                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1034                 interest, it might also provoke serious objections.
1035                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1036                 the human being went to???
1039 ACKNOWLEDGEMENTS
1041 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1042 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1045 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.