shrink window size field
[cor.git] / Documentation / RCU / whatisRCU.txt
blob58ba05c4d97f91904234417275fae88092685dcd
1 What is RCU?  --  "Read, Copy, Update"
3 Please note that the "What is RCU?" LWN series is an excellent place
4 to start learning about RCU:
6 1.      What is RCU, Fundamentally?  http://lwn.net/Articles/262464/
7 2.      What is RCU? Part 2: Usage   http://lwn.net/Articles/263130/
8 3.      RCU part 3: the RCU API      http://lwn.net/Articles/264090/
9 4.      The RCU API, 2010 Edition    http://lwn.net/Articles/418853/
10         2010 Big API Table           http://lwn.net/Articles/419086/
11 5.      The RCU API, 2014 Edition    http://lwn.net/Articles/609904/
12         2014 Big API Table           http://lwn.net/Articles/609973/
15 What is RCU?
17 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
18 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
19 situations.  Although RCU is actually quite simple once you understand it,
20 getting there can sometimes be a challenge.  Part of the problem is that
21 most of the past descriptions of RCU have been written with the mistaken
22 assumption that there is "one true way" to describe RCU.  Instead,
23 the experience has been that different people must take different paths
24 to arrive at an understanding of RCU.  This document provides several
25 different paths, as follows:
27 1.      RCU OVERVIEW
28 2.      WHAT IS RCU'S CORE API?
29 3.      WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
30 4.      WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
31 5.      WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
32 6.      ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
33 7.      FULL LIST OF RCU APIs
34 8.      ANSWERS TO QUICK QUIZZES
36 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
37 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
38 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
39 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
40 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
41 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
42 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
43 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
44 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
46 So, start with the section that makes the most sense to you and your
47 preferred method of learning.  If you need to know everything about
48 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
49 that type of person, you have perused the source code and will therefore
50 never need this document anyway.  ;-)
53 1.  RCU OVERVIEW
55 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
56 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
57 within a data structure (possibly by replacing them with references to
58 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
59 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
60 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
61 either the old or the new version of the data structure rather than a
62 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
63 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
64 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
65 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
66 not start until readers no longer hold references to those data items.
68 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
69 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
70 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
71 completed, either by blocking until they finish or by registering a
72 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
73 during the removal phase need be considered, because any reader starting
74 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
75 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
77 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
79 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
80         readers cannot gain a reference to it.
82 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
83         critical sections.
85 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
86         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
87         (e.g., kfree()d).
89 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
90 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
91 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
92 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
93 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
94 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
95 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
96 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
97 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
98 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
99 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
100 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
101 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
102 and communications cache misses that are so expensive on present-day
103 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
105 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
106 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
107 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
108 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
109 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
110 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
111 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
112 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
113 and reclaimers, namely, in step (b) above.
115 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
116 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
117 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
120 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
122 The core RCU API is quite small:
124 a.      rcu_read_lock()
125 b.      rcu_read_unlock()
126 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
127 d.      rcu_assign_pointer()
128 e.      rcu_dereference()
130 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
131 expressed in terms of these five, though most implementations instead
132 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
134 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
135 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
136 at the function header comments.
138 rcu_read_lock()
140         void rcu_read_lock(void);
142         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
143         entering an RCU read-side critical section.  It is illegal
144         to block while in an RCU read-side critical section, though
145         kernels built with CONFIG_PREEMPT_RCU can preempt RCU
146         read-side critical sections.  Any RCU-protected data structure
147         accessed during an RCU read-side critical section is guaranteed to
148         remain unreclaimed for the full duration of that critical section.
149         Reference counts may be used in conjunction with RCU to maintain
150         longer-term references to data structures.
152 rcu_read_unlock()
154         void rcu_read_unlock(void);
156         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
157         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
158         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
160 synchronize_rcu()
162         void synchronize_rcu(void);
164         Marks the end of updater code and the beginning of reclaimer
165         code.  It does this by blocking until all pre-existing RCU
166         read-side critical sections on all CPUs have completed.
167         Note that synchronize_rcu() will -not- necessarily wait for
168         any subsequent RCU read-side critical sections to complete.
169         For example, consider the following sequence of events:
171                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
172              ----------------- ------------------------- ---------------
173          1.  rcu_read_lock()
174          2.                    enters synchronize_rcu()
175          3.                                               rcu_read_lock()
176          4.  rcu_read_unlock()
177          5.                     exits synchronize_rcu()
178          6.                                              rcu_read_unlock()
180         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
181         read-side critical sections to complete, not necessarily for
182         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
184         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
185         -immediately- after the last pre-existing RCU read-side critical
186         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
187         delays.  For another thing, many RCU implementations process
188         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
189         further delay synchronize_rcu().
191         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
192         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
193         to be useful in all but the most read-intensive situations,
194         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
196         The call_rcu() API is a callback form of synchronize_rcu(),
197         and is described in more detail in a later section.  Instead of
198         blocking, it registers a function and argument which are invoked
199         after all ongoing RCU read-side critical sections have completed.
200         This callback variant is particularly useful in situations where
201         it is illegal to block or where update-side performance is
202         critically important.
204         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
205         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
206         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
207         of automatically limiting update rate should grace periods
208         be delayed.  This property results in system resilience in face
209         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
210         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
211         checklist.txt for some approaches to limiting the update rate.
213 rcu_assign_pointer()
215         void rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
217         Yes, rcu_assign_pointer() -is- implemented as a macro, though it
218         would be cool to be able to declare a function in this manner.
219         (Compiler experts will no doubt disagree.)
221         The updater uses this function to assign a new value to an
222         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
223         in value from the updater to the reader.  This macro does not
224         evaluate to an rvalue, but it does execute any memory-barrier
225         instructions required for a given CPU architecture.
227         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
228         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
229         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
230         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
231         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
233 rcu_dereference()
235         typeof(p) rcu_dereference(p);
237         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
238         as a macro.
240         The reader uses rcu_dereference() to fetch an RCU-protected
241         pointer, which returns a value that may then be safely
242         dereferenced.  Note that rcu_dereference() does not actually
243         dereference the pointer, instead, it protects the pointer for
244         later dereferencing.  It also executes any needed memory-barrier
245         instructions for a given CPU architecture.  Currently, only Alpha
246         needs memory barriers within rcu_dereference() -- on other CPUs,
247         it compiles to nothing, not even a compiler directive.
249         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
250         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
251         this local variable, for example as follows:
253                 p = rcu_dereference(head.next);
254                 return p->data;
256         However, in this case, one could just as easily combine these
257         into one statement:
259                 return rcu_dereference(head.next)->data;
261         If you are going to be fetching multiple fields from the
262         RCU-protected structure, using the local variable is of
263         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
264         ugly, do not guarantee that the same pointer will be returned
265         if an update happened while in the critical section, and incur
266         unnecessary overhead on Alpha CPUs.
268         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
269         only within the enclosing RCU read-side critical section [1].
270         For example, the following is -not- legal:
272                 rcu_read_lock();
273                 p = rcu_dereference(head.next);
274                 rcu_read_unlock();
275                 x = p->address; /* BUG!!! */
276                 rcu_read_lock();
277                 y = p->data;    /* BUG!!! */
278                 rcu_read_unlock();
280         Holding a reference from one RCU read-side critical section
281         to another is just as illegal as holding a reference from
282         one lock-based critical section to another!  Similarly,
283         using a reference outside of the critical section in which
284         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
285         locking.
287         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
288         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
289         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
290         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
291         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
292         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
293         primitives, such as list_for_each_entry_rcu() [2].
295         [1] The variant rcu_dereference_protected() can be used outside
296         of an RCU read-side critical section as long as the usage is
297         protected by locks acquired by the update-side code.  This variant
298         avoids the lockdep warning that would happen when using (for
299         example) rcu_dereference() without rcu_read_lock() protection.
300         Using rcu_dereference_protected() also has the advantage
301         of permitting compiler optimizations that rcu_dereference()
302         must prohibit.  The rcu_dereference_protected() variant takes
303         a lockdep expression to indicate which locks must be acquired
304         by the caller. If the indicated protection is not provided,
305         a lockdep splat is emitted.  See Documentation/RCU/Design/Requirements/Requirements.rst
306         and the API's code comments for more details and example usage.
308         [2] If the list_for_each_entry_rcu() instance might be used by
309         update-side code as well as by RCU readers, then an additional
310         lockdep expression can be added to its list of arguments.
311         For example, given an additional "lock_is_held(&mylock)" argument,
312         the RCU lockdep code would complain only if this instance was
313         invoked outside of an RCU read-side critical section and without
314         the protection of mylock.
316 The following diagram shows how each API communicates among the
317 reader, updater, and reclaimer.
320             rcu_assign_pointer()
321                                     +--------+
322             +---------------------->| reader |---------+
323             |                       +--------+         |
324             |                           |              |
325             |                           |              | Protect:
326             |                           |              | rcu_read_lock()
327             |                           |              | rcu_read_unlock()
328             |        rcu_dereference()  |              |
329             +---------+                 |              |
330             | updater |<----------------+              |
331             +---------+                                V
332             |                                    +-----------+
333             +----------------------------------->| reclaimer |
334                                                  +-----------+
335               Defer:
336               synchronize_rcu() & call_rcu()
339 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
340 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
341 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
342 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
343 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
344 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
346 There are at least three flavors of RCU usage in the Linux kernel. The diagram
347 above shows the most common one. On the updater side, the rcu_assign_pointer(),
348 sychronize_rcu() and call_rcu() primitives used are the same for all three
349 flavors. However for protection (on the reader side), the primitives used vary
350 depending on the flavor:
352 a.      rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
353         rcu_dereference()
355 b.      rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
356         local_bh_disable() / local_bh_enable()
357         rcu_dereference_bh()
359 c.      rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
360         preempt_disable() / preempt_enable()
361         local_irq_save() / local_irq_restore()
362         hardirq enter / hardirq exit
363         NMI enter / NMI exit
364         rcu_dereference_sched()
366 These three flavors are used as follows:
368 a.      RCU applied to normal data structures.
370 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
371         to remote denial-of-service attacks.
373 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
375 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
376 for specialized uses, but are relatively uncommon.
379 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
381 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
382 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
383 uses of RCU may be found in listRCU.txt, arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
385         struct foo {
386                 int a;
387                 char b;
388                 long c;
389         };
390         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
392         struct foo __rcu *gbl_foo;
394         /*
395          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
396          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
397          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
398          * frees up the old structure after a grace period.
399          *
400          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
401          * see the initialized version of the new structure.
402          *
403          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
404          * have references to the old structure complete before freeing
405          * the old structure.
406          */
407         void foo_update_a(int new_a)
408         {
409                 struct foo *new_fp;
410                 struct foo *old_fp;
412                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
413                 spin_lock(&foo_mutex);
414                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
415                 *new_fp = *old_fp;
416                 new_fp->a = new_a;
417                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
418                 spin_unlock(&foo_mutex);
419                 synchronize_rcu();
420                 kfree(old_fp);
421         }
423         /*
424          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
425          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
426          * to ensure that the structure does not get deleted out
427          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
428          * we see the initialized version of the structure (important
429          * for DEC Alpha and for people reading the code).
430          */
431         int foo_get_a(void)
432         {
433                 int retval;
435                 rcu_read_lock();
436                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
437                 rcu_read_unlock();
438                 return retval;
439         }
441 So, to sum up:
443 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
444         read-side critical sections.
446 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
447         to dereference RCU-protected pointers.
449 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
450         keep concurrent updates from interfering with each other.
452 o       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
453         This primitive protects concurrent readers from the updater,
454         -not- concurrent updates from each other!  You therefore still
455         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
456         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
458 o       Use synchronize_rcu() -after- removing a data element from an
459         RCU-protected data structure, but -before- reclaiming/freeing
460         the data element, in order to wait for the completion of all
461         RCU read-side critical sections that might be referencing that
462         data item.
464 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
465 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.txt,
466 arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
469 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
471 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
472 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
473 long -- there might be other high-priority work to be done.
475 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
476 The call_rcu() API is as follows:
478         void call_rcu(struct rcu_head * head,
479                       void (*func)(struct rcu_head *head));
481 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
482 This invocation might happen from either softirq or process context,
483 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
484 have an rcu_head structure added, perhaps as follows:
486         struct foo {
487                 int a;
488                 char b;
489                 long c;
490                 struct rcu_head rcu;
491         };
493 The foo_update_a() function might then be written as follows:
495         /*
496          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
497          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
498          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
499          * frees up the old structure after a grace period.
500          *
501          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
502          * see the initialized version of the new structure.
503          *
504          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
505          * references to the old structure complete before freeing the
506          * old structure.
507          */
508         void foo_update_a(int new_a)
509         {
510                 struct foo *new_fp;
511                 struct foo *old_fp;
513                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
514                 spin_lock(&foo_mutex);
515                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
516                 *new_fp = *old_fp;
517                 new_fp->a = new_a;
518                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
519                 spin_unlock(&foo_mutex);
520                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
521         }
523 The foo_reclaim() function might appear as follows:
525         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
526         {
527                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
529                 foo_cleanup(fp->a);
531                 kfree(fp);
532         }
534 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
535 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
536 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
538 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
539 immediately regain control, without needing to worry further about the
540 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
541 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
542 namely foo_reclaim().
544 The summary of advice is the same as for the previous section, except
545 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
547 o       Use call_rcu() -after- removing a data element from an
548         RCU-protected data structure in order to register a callback
549         function that will be invoked after the completion of all RCU
550         read-side critical sections that might be referencing that
551         data item.
553 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
554 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
555 to avoid having to write your own callback:
557         kfree_rcu(old_fp, rcu);
559 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
562 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
564 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
565 implementations that are a good first step towards understanding the
566 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
567 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
568 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
569 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
570 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
571 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcu/update.c for a
572 production-quality implementation, and see:
574         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
576 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
577 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
578 more details on the current implementation as of early 2004.
581 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
583 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
584 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
585 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
586 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
587 one read-side critical section to another.  It also assumes recursive
588 reader-writer locks:  If you try this with non-recursive locks, and
589 you allow nested rcu_read_lock() calls, you can deadlock.
591 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
592 a good starting point.
594 It is extremely simple:
596         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
598         void rcu_read_lock(void)
599         {
600                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
601         }
603         void rcu_read_unlock(void)
604         {
605                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
606         }
608         void synchronize_rcu(void)
609         {
610                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
611                 smp_mb__after_spinlock();
612                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
613         }
615 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without missing
616 much.  But here are simplified versions anyway.  And whatever you do,
617 don't forget about them when submitting patches making use of RCU!]
619         #define rcu_assign_pointer(p, v) \
620         ({ \
621                 smp_store_release(&(p), (v)); \
622         })
624         #define rcu_dereference(p) \
625         ({ \
626                 typeof(p) _________p1 = READ_ONCE(p); \
627                 (_________p1); \
628         })
631 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
632 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
633 primitive write-acquires this same lock, then releases it.  This means
634 that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side critical sections
635 that were in progress before synchronize_rcu() was called are guaranteed
636 to have completed -- there is no way that synchronize_rcu() would have
637 been able to write-acquire the lock otherwise.  The smp_mb__after_spinlock()
638 promotes synchronize_rcu() to a full memory barrier in compliance with
639 the "Memory-Barrier Guarantees" listed in:
641         Documentation/RCU/Design/Requirements/Requirements.rst
643 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
644 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
645 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
646 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
647 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
648 so there can be no deadlock cycle.
650 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
651                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
652                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
655 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
657 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
658 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
659 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
660 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
661 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
663         void rcu_read_lock(void) { }
665         void rcu_read_unlock(void) { }
667         void synchronize_rcu(void)
668         {
669                 int cpu;
671                 for_each_possible_cpu(cpu)
672                         run_on(cpu);
673         }
675 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
676 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
677 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
678 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
679 participate in a deadlock cycle!
681 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
682 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
683 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
684 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
685 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
686 "toy", I meant -toy-!
688 So how the heck is this supposed to work???
690 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
691 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
692 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
693 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
694 RCU read-side critical sections will have completed.
696 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
697 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
698 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
699 to that data item, so we can safely reclaim it.
701 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
702                 overhead is -negative-.
704 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
705                 critical section, what the heck do you do in
706                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
709 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
711 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
712 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
713 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
715         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
716                 int data;
717                 /* Other data fields */
718          };
719         -rwlock_t listmutex;
720         +spinlock_t listmutex;
721          struct el head;
723         @@ -13,15 +14,15 @@
724                 struct list_head *lp;
725                 struct el *p;
727         -       read_lock(&listmutex);
728         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
729         +       rcu_read_lock();
730         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
731                         if (p->key == key) {
732                                 *result = p->data;
733         -                       read_unlock(&listmutex);
734         +                       rcu_read_unlock();
735                                 return 1;
736                         }
737                 }
738         -       read_unlock(&listmutex);
739         +       rcu_read_unlock();
740                 return 0;
741          }
743         @@ -29,15 +30,16 @@
744          {
745                 struct el *p;
747         -       write_lock(&listmutex);
748         +       spin_lock(&listmutex);
749                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
750                         if (p->key == key) {
751         -                       list_del(&p->list);
752         -                       write_unlock(&listmutex);
753         +                       list_del_rcu(&p->list);
754         +                       spin_unlock(&listmutex);
755         +                       synchronize_rcu();
756                                 kfree(p);
757                                 return 1;
758                         }
759                 }
760         -       write_unlock(&listmutex);
761         +       spin_unlock(&listmutex);
762                 return 0;
763          }
765 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
767  1 struct el {                          1 struct el {
768  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
769  3   long key;                          3   long key;
770  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
771  5   int data;                          5   int data;
772  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
773  7 };                                   7 };
774  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
775  9 struct el head;                      9 struct el head;
777  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
778  2 {                                    2 {
779  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
780  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
781  5                                      5
782  6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
783  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
784  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
785  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
786 10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
787 11       return 1;                     11       return 1;
788 12     }                               12     }
789 13   }                                 13   }
790 14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
791 15   return 0;                         15   return 0;
792 16 }                                   16 }
794  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
795  2 {                                    2 {
796  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
797  4                                      4
798  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
799  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
800  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
801  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
802  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
803                                        10       synchronize_rcu();
804 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
805 11       return 1;                     12       return 1;
806 12     }                               13     }
807 13   }                                 14   }
808 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
809 15   return 0;                         16   return 0;
810 16 }                                   17 }
812 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
813 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
814 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
815 precedes the kfree().
817 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
818 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
819 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
820 For example, if multiple independent list updates must be seen as
821 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
823 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
824 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
825 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
826 be used in place of synchronize_rcu().
829 7.  FULL LIST OF RCU APIs
831 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
832 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
833 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
834 in docbook.  Here is the list, by category.
836 RCU list traversal:
838         list_entry_rcu
839         list_first_entry_rcu
840         list_next_rcu
841         list_for_each_entry_rcu
842         list_for_each_entry_continue_rcu
843         list_for_each_entry_from_rcu
844         hlist_first_rcu
845         hlist_next_rcu
846         hlist_pprev_rcu
847         hlist_for_each_entry_rcu
848         hlist_for_each_entry_rcu_bh
849         hlist_for_each_entry_from_rcu
850         hlist_for_each_entry_continue_rcu
851         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
852         hlist_nulls_first_rcu
853         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
854         hlist_bl_first_rcu
855         hlist_bl_for_each_entry_rcu
857 RCU pointer/list update:
859         rcu_assign_pointer
860         list_add_rcu
861         list_add_tail_rcu
862         list_del_rcu
863         list_replace_rcu
864         hlist_add_behind_rcu
865         hlist_add_before_rcu
866         hlist_add_head_rcu
867         hlist_del_rcu
868         hlist_del_init_rcu
869         hlist_replace_rcu
870         list_splice_init_rcu()
871         hlist_nulls_del_init_rcu
872         hlist_nulls_del_rcu
873         hlist_nulls_add_head_rcu
874         hlist_bl_add_head_rcu
875         hlist_bl_del_init_rcu
876         hlist_bl_del_rcu
877         hlist_bl_set_first_rcu
879 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
881         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
882         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
883         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
884         rcu_read_lock_held      call_rcu
885         rcu_dereference_check   kfree_rcu
886         rcu_dereference_protected
888 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
890         rcu_read_lock_bh        call_rcu                rcu_barrier
891         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu
892         [local_bh_disable]      synchronize_rcu_expedited
893         [and friends]
894         rcu_dereference_bh
895         rcu_dereference_bh_check
896         rcu_dereference_bh_protected
897         rcu_read_lock_bh_held
899 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
901         rcu_read_lock_sched     call_rcu                rcu_barrier
902         rcu_read_unlock_sched   synchronize_rcu
903         [preempt_disable]       synchronize_rcu_expedited
904         [and friends]
905         rcu_read_lock_sched_notrace
906         rcu_read_unlock_sched_notrace
907         rcu_dereference_sched
908         rcu_dereference_sched_check
909         rcu_dereference_sched_protected
910         rcu_read_lock_sched_held
913 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
915         srcu_read_lock          call_srcu               srcu_barrier
916         srcu_read_unlock        synchronize_srcu
917         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
918         srcu_dereference_check
919         srcu_read_lock_held
921 SRCU:   Initialization/cleanup
922         DEFINE_SRCU
923         DEFINE_STATIC_SRCU
924         init_srcu_struct
925         cleanup_srcu_struct
927 All:  lockdep-checked RCU-protected pointer access
929         rcu_access_pointer
930         rcu_dereference_raw
931         RCU_LOCKDEP_WARN
932         rcu_sleep_check
933         RCU_NONIDLE
935 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
936 from them) for more information.
938 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
939 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
940 list can be helpful:
942 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
944 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
945         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
946         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
947         necessary.  (The -rt patchset turns spinlocks into sleeplocks,
948         hence this distinction.)
950 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
951         and code segments with preemption disabled (whether
952         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
953         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
954         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
956 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
957         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
958         example, is your code subject to network-based denial-of-service
959         attacks?  If so, you should disable softirq across your readers,
960         for example, by using rcu_read_lock_bh().
962 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
963         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
964         If so, consider SLAB_TYPESAFE_BY_RCU (which was originally
965         named SLAB_DESTROY_BY_RCU).  But please be careful!
967 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
968         even though they are in the middle of the idle loop, during
969         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
970         only choice that will work for you.
972 g.      Otherwise, use RCU.
974 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
975 the right tool for your job.
978 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
980 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
981                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
982                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
983                 algorithm.]
985 Answer:         Consider the following sequence of events:
987                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
988                         "problematic_lock", disabling irq via
989                         spin_lock_irqsave().
991                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
992                         rcu_gp_mutex.
994                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
995                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
997                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
998                         attempts to acquire problematic_lock.
1000                 The system is now deadlocked.
1002                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
1003                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
1004                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
1005                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
1006                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
1007                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
1009                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
1010                 allows latency to "bleed" from readers to other
1011                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
1012                 consider task A in an RCU read-side critical section
1013                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
1014                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
1015                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
1016                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
1017                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
1018                 task B.
1020                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
1021                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
1022                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
1024 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
1025                 overhead is -negative-.
1027 Answer:         Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
1028                 kernel where a routing table is used by process-context
1029                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
1030                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
1031                 this would be to have the process-context code disable
1032                 interrupts while searching the routing table.  Use of
1033                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
1034                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
1035                 and with RCU you don't.
1037                 One can argue that the overhead of RCU in this
1038                 case is negative with respect to the single-CPU
1039                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1040                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1041                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1042                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1043                 negative overhead.
1045                 In real life, of course, things are more complex.  But
1046                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1047                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1049 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
1050                 critical section, what the heck do you do in
1051                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1053 Answer:         Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1054                 critical sections, it permits preemption of RCU
1055                 read-side critical sections.  It also permits
1056                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1057                 sections.
1059                 Why the apparent inconsistency?  Because it is
1060                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1061                 grace periods short if need be (for example, if running
1062                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1063                 for (say) network reception, there is no way to know
1064                 what should be boosted.  Especially given that the
1065                 process we need to boost might well be a human being
1066                 who just went out for a pizza or something.  And although
1067                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1068                 interest, it might also provoke serious objections.
1069                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1070                 the human being went to???
1073 ACKNOWLEDGEMENTS
1075 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1076 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1079 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.