Merge remote-tracking branch 'remotes/rth/tags/pull-tcg-20150212' into staging
[qemu.git] / docs / rcu.txt
blob61752b93ab3e625e2d933d0e87d31b0ba872d2f4
1 Using RCU (Read-Copy-Update) for synchronization
2 ================================================
4 Read-copy update (RCU) is a synchronization mechanism that is used to
5 protect read-mostly data structures.  RCU is very efficient and scalable
6 on the read side (it is wait-free), and thus can make the read paths
7 extremely fast.
9 RCU supports concurrency between a single writer and multiple readers,
10 thus it is not used alone.  Typically, the write-side will use a lock to
11 serialize multiple updates, but other approaches are possible (e.g.,
12 restricting updates to a single task).  In QEMU, when a lock is used,
13 this will often be the "iothread mutex", also known as the "big QEMU
14 lock" (BQL).  Also, restricting updates to a single task is done in
15 QEMU using the "bottom half" API.
17 RCU is fundamentally a "wait-to-finish" mechanism.  The read side marks
18 sections of code with "critical sections", and the update side will wait
19 for the execution of all *currently running* critical sections before
20 proceeding, or before asynchronously executing a callback.
22 The key point here is that only the currently running critical sections
23 are waited for; critical sections that are started _after_ the beginning
24 of the wait do not extend the wait, despite running concurrently with
25 the updater.  This is the reason why RCU is more scalable than,
26 for example, reader-writer locks.  It is so much more scalable that
27 the system will have a single instance of the RCU mechanism; a single
28 mechanism can be used for an arbitrary number of "things", without
29 having to worry about things such as contention or deadlocks.
31 How is this possible?  The basic idea is to split updates in two phases,
32 "removal" and "reclamation".  During removal, we ensure that subsequent
33 readers will not be able to get a reference to the old data.  After
34 removal has completed, a critical section will not be able to access
35 the old data.  Therefore, critical sections that begin after removal
36 do not matter; as soon as all previous critical sections have finished,
37 there cannot be any readers who hold references to the data structure,
38 and these can now be safely reclaimed (e.g., freed or unref'ed).
40 Here is a picutre:
42         thread 1                  thread 2                  thread 3
43     -------------------    ------------------------    -------------------
44     enter RCU crit.sec.
45            |                finish removal phase
46            |                begin wait
47            |                      |                    enter RCU crit.sec.
48     exit RCU crit.sec             |                           |
49                             complete wait                     |
50                             begin reclamation phase           |
51                                                        exit RCU crit.sec.
54 Note how thread 3 is still executing its critical section when thread 2
55 starts reclaiming data.  This is possible, because the old version of the
56 data structure was not accessible at the time thread 3 began executing
57 that critical section.
60 RCU API
61 =======
63 The core RCU API is small:
65      void rcu_read_lock(void);
67         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
68         entering an RCU read-side critical section.
70      void rcu_read_unlock(void);
72         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
73         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
74         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
76      void synchronize_rcu(void);
78         Blocks until all pre-existing RCU read-side critical sections
79         on all threads have completed.  This marks the end of the removal
80         phase and the beginning of reclamation phase.
82         Note that it would be valid for another update to come while
83         synchronize_rcu is running.  Because of this, it is better that
84         the updater releases any locks it may hold before calling
85         synchronize_rcu.  If this is not possible (for example, because
86         the updater is protected by the BQL), you can use call_rcu.
88      void call_rcu1(struct rcu_head * head,
89                     void (*func)(struct rcu_head *head));
91         This function invokes func(head) after all pre-existing RCU
92         read-side critical sections on all threads have completed.  This
93         marks the end of the removal phase, with func taking care
94         asynchronously of the reclamation phase.
96         The foo struct needs to have an rcu_head structure added,
97         perhaps as follows:
99             struct foo {
100                 struct rcu_head rcu;
101                 int a;
102                 char b;
103                 long c;
104             };
106         so that the reclaimer function can fetch the struct foo address
107         and free it:
109             call_rcu1(&foo.rcu, foo_reclaim);
111             void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
112             {
113                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
114                 g_free(fp);
115             }
117         For the common case where the rcu_head member is the first of the
118         struct, you can use the following macro.
120      void call_rcu(T *p,
121                    void (*func)(T *p),
122                    field-name);
124         call_rcu1 is typically used through this macro, in the common case
125         where the "struct rcu_head" is the first field in the struct.  In
126         the above case, one could have written simply:
128             call_rcu(foo_reclaim, g_free, rcu);
130      typeof(*p) atomic_rcu_read(p);
132         atomic_rcu_read() is similar to atomic_mb_read(), but it makes
133         some assumptions on the code that calls it.  This allows a more
134         optimized implementation.
136         atomic_rcu_read assumes that whenever a single RCU critical
137         section reads multiple shared data, these reads are either
138         data-dependent or need no ordering.  This is almost always the
139         case when using RCU, because read-side critical sections typically
140         navigate one or more pointers (the pointers that are changed on
141         every update) until reaching a data structure of interest,
142         and then read from there.
144         RCU read-side critical sections must use atomic_rcu_read() to
145         read data, unless concurrent writes are presented by another
146         synchronization mechanism.
148         Furthermore, RCU read-side critical sections should traverse the
149         data structure in a single direction, opposite to the direction
150         in which the updater initializes it.
152      void atomic_rcu_set(p, typeof(*p) v);
154         atomic_rcu_set() is also similar to atomic_mb_set(), and it also
155         makes assumptions on the code that calls it in order to allow a more
156         optimized implementation.
158         In particular, atomic_rcu_set() suffices for synchronization
159         with readers, if the updater never mutates a field within a
160         data item that is already accessible to readers.  This is the
161         case when initializing a new copy of the RCU-protected data
162         structure; just ensure that initialization of *p is carried out
163         before atomic_rcu_set() makes the data item visible to readers.
164         If this rule is observed, writes will happen in the opposite
165         order as reads in the RCU read-side critical sections (or if
166         there is just one update), and there will be no need for other
167         synchronization mechanism to coordinate the accesses.
169 The following APIs must be used before RCU is used in a thread:
171      void rcu_register_thread(void);
173         Mark a thread as taking part in the RCU mechanism.  Such a thread
174         will have to report quiescent points regularly, either manually
175         or through the QemuCond/QemuSemaphore/QemuEvent APIs.
177      void rcu_unregister_thread(void);
179         Mark a thread as not taking part anymore in the RCU mechanism.
180         It is not a problem if such a thread reports quiescent points,
181         either manually or by using the QemuCond/QemuSemaphore/QemuEvent
182         APIs.
184 Note that these APIs are relatively heavyweight, and should _not_ be
185 nested.
188 DIFFERENCES WITH LINUX
189 ======================
191 - Waiting on a mutex is possible, though discouraged, within an RCU critical
192   section.  This is because spinlocks are rarely (if ever) used in userspace
193   programming; not allowing this would prevent upgrading an RCU read-side
194   critical section to become an updater.
196 - atomic_rcu_read and atomic_rcu_set replace rcu_dereference and
197   rcu_assign_pointer.  They take a _pointer_ to the variable being accessed.
199 - call_rcu is a macro that has an extra argument (the name of the first
200   field in the struct, which must be a struct rcu_head), and expects the
201   type of the callback's argument to be the type of the first argument.
202   call_rcu1 is the same as Linux's call_rcu.
205 RCU PATTERNS
206 ============
208 Many patterns using read-writer locks translate directly to RCU, with
209 the advantages of higher scalability and deadlock immunity.
211 In general, RCU can be used whenever it is possible to create a new
212 "version" of a data structure every time the updater runs.  This may
213 sound like a very strict restriction, however:
215 - the updater does not mean "everything that writes to a data structure",
216   but rather "everything that involves a reclamation step".  See the
217   array example below
219 - in some cases, creating a new version of a data structure may actually
220   be very cheap.  For example, modifying the "next" pointer of a singly
221   linked list is effectively creating a new version of the list.
223 Here are some frequently-used RCU idioms that are worth noting.
226 RCU list processing
227 -------------------
229 TBD (not yet used in QEMU)
232 RCU reference counting
233 ----------------------
235 Because grace periods are not allowed to complete while there is an RCU
236 read-side critical section in progress, the RCU read-side primitives
237 may be used as a restricted reference-counting mechanism.  For example,
238 consider the following code fragment:
240     rcu_read_lock();
241     p = atomic_rcu_read(&foo);
242     /* do something with p. */
243     rcu_read_unlock();
245 The RCU read-side critical section ensures that the value of "p" remains
246 valid until after the rcu_read_unlock().  In some sense, it is acquiring
247 a reference to p that is later released when the critical section ends.
248 The write side looks simply like this (with appropriate locking):
250     qemu_mutex_lock(&foo_mutex);
251     old = foo;
252     atomic_rcu_set(&foo, new);
253     qemu_mutex_unlock(&foo_mutex);
254     synchronize_rcu();
255     free(old);
257 If the processing cannot be done purely within the critical section, it
258 is possible to combine this idiom with a "real" reference count:
260     rcu_read_lock();
261     p = atomic_rcu_read(&foo);
262     foo_ref(p);
263     rcu_read_unlock();
264     /* do something with p. */
265     foo_unref(p);
267 The write side can be like this:
269     qemu_mutex_lock(&foo_mutex);
270     old = foo;
271     atomic_rcu_set(&foo, new);
272     qemu_mutex_unlock(&foo_mutex);
273     synchronize_rcu();
274     foo_unref(old);
276 or with call_rcu:
278     qemu_mutex_lock(&foo_mutex);
279     old = foo;
280     atomic_rcu_set(&foo, new);
281     qemu_mutex_unlock(&foo_mutex);
282     call_rcu(foo_unref, old, rcu);
284 In both cases, the write side only performs removal.  Reclamation
285 happens when the last reference to a "foo" object is dropped.
286 Using synchronize_rcu() is undesirably expensive, because the
287 last reference may be dropped on the read side.  Hence you can
288 use call_rcu() instead:
290      foo_unref(struct foo *p) {
291         if (atomic_fetch_dec(&p->refcount) == 1) {
292             call_rcu(foo_destroy, p, rcu);
293         }
294     }
297 Note that the same idioms would be possible with reader/writer
298 locks:
300     read_lock(&foo_rwlock);         write_mutex_lock(&foo_rwlock);
301     p = foo;                        p = foo;
302     /* do something with p. */      foo = new;
303     read_unlock(&foo_rwlock);       free(p);
304                                     write_mutex_unlock(&foo_rwlock);
305                                     free(p);
307     ------------------------------------------------------------------
309     read_lock(&foo_rwlock);         write_mutex_lock(&foo_rwlock);
310     p = foo;                        old = foo;
311     foo_ref(p);                     foo = new;
312     read_unlock(&foo_rwlock);       foo_unref(old);
313     /* do something with p. */      write_mutex_unlock(&foo_rwlock);
314     read_lock(&foo_rwlock);
315     foo_unref(p);
316     read_unlock(&foo_rwlock);
318 foo_unref could use a mechanism such as bottom halves to move deallocation
319 out of the write-side critical section.
322 RCU resizable arrays
323 --------------------
325 Resizable arrays can be used with RCU.  The expensive RCU synchronization
326 (or call_rcu) only needs to take place when the array is resized.
327 The two items to take care of are:
329 - ensuring that the old version of the array is available between removal
330   and reclamation;
332 - avoiding mismatches in the read side between the array data and the
333   array size.
335 The first problem is avoided simply by not using realloc.  Instead,
336 each resize will allocate a new array and copy the old data into it.
337 The second problem would arise if the size and the data pointers were
338 two members of a larger struct:
340     struct mystuff {
341         ...
342         int data_size;
343         int data_alloc;
344         T   *data;
345         ...
346     };
348 Instead, we store the size of the array with the array itself:
350     struct arr {
351         int size;
352         int alloc;
353         T   data[];
354     };
355     struct arr *global_array;
357     read side:
358         rcu_read_lock();
359         struct arr *array = atomic_rcu_read(&global_array);
360         x = i < array->size ? array->data[i] : -1;
361         rcu_read_unlock();
362         return x;
364     write side (running under a lock):
365         if (global_array->size == global_array->alloc) {
366             /* Creating a new version.  */
367             new_array = g_malloc(sizeof(struct arr) +
368                                  global_array->alloc * 2 * sizeof(T));
369             new_array->size = global_array->size;
370             new_array->alloc = global_array->alloc * 2;
371             memcpy(new_array->data, global_array->data,
372                    global_array->alloc * sizeof(T));
374             /* Removal phase.  */
375             old_array = global_array;
376             atomic_rcu_set(&new_array->data, new_array);
377             synchronize_rcu();
379             /* Reclamation phase.  */
380             free(old_array);
381         }
384 SOURCES
385 =======
387 * Documentation/RCU/ from the Linux kernel