TREE RCU实现之一 —— 数据结构

代码分布

在分析代码之前， 先看看代码的分布情况。RCU实现的代码包含在下列一些文件中，此处用到的是linux 3.6.4的代码。

< include/linux/rcupdate.h > RCU实现的头文件，所有使用RCU的代码都需要包含它

< include/rcutree.h > 包含rcupdate.h中没有包含的函数声明。

< include/rcutiny.h > 包含rcupdate.h中没有包含的函数声明。

< kernel/rcupdate.c > 包括一些RCU实现的基础函数的实现。

< kernel/rcutree.h > 包含Tree RCU用到的结构信息，TREE_RCU将所有的CPU组织成一颗树，通过层次结构来判别进程是否通过了宽限期，这种方式适用于多个CPU的系统。

< kernel/rcutree.c > 包含Tree RCU的主要实现代码。

< kernel/rcutree_plugin.h > 其实也是TREE RCU实现的一部分。主要包含了抢入式TreeRCU的代码。适用于抢入式的系统，抢入式的系统适用于需要低延迟的桌面或者嵌入式系统。

< kernel/rcutiny.c > Tiny RCU的主要实现代码，TINY_RCU适用于单个CPU，尤其是嵌入式操作系统。

< kernel/rcutiny_plugin.h > 主要包含了抢入式Tiny RCU的代码

< kernel/rcu.h > 定义了debug的接口，实现了__rcu_reclaim。

< kernel/rcutorture.c> 对RCU进行稳定性测试的代码，通过配置CONFIG_RCU_TORTURE_TEST，可以在系统启动的时候运行稳定性测试。

< kernel/rcutree_trace.c> 通过配置CONFIG_RCU_TRACE，可以记录RCU的运行信息。

< include/trace/events/rcu.h> 为rcutree_trace.c定义的头文件。

RCU处理的基本流程

RCU实现的关键集中在宽限期的处理上，这个过程需要保证销毁对象前，当前系统中所有CPU上运行的进程都通过了静止状态(quiescent state)。

1， 程序调用call_rcu，将要删除的对象保存起来。并标记或者开始一个宽限期(同一时间只能运行一个宽限期，所以当已经有宽限期在运行的时候，其它的宽限期必须等待)。

2， 在读取数据开始和结尾处增加 rcu_read_lock 和 rcu_read_unlock来标记读过程。为了保证删除过程知道读过程的结束，在非抢占式RCU实现中是在rcu_read_lock开始处禁止进程抢占。这样做就可以保证再运行下一次进程切换的时候，读过程已经结束。其实系统也不会去统计各个CPU上是否存在过读线程，所以所有的CPU都会在进程切换的时候通知系统它处于进制状态。当所有的CPU都通过静止状态的时候，系统就会标记它通过了一个宽限期。

3，由于一个宽限期结束的时候，只有最后一个通过静止状态的CPU知道当前的宽限期已经结束，它并不会去通知其它CPU；同时出于性能考虑，系统也不会在宽限期结束后，马上去执行销毁过程。所以每个CPU都有一个固定的函数去检测是否有等待执行的宽限期，如果没有特别紧急的任务时，会去执行这些过程。

接下来，要分析Tree RCU的实现，先来看看它提供的一些接口函数。

1， call_rcu 与 synchronize_rcu都是删除对象时调用的函数。call_rcu将数据提交后会返回，而synchronize_rcu会调用call_rcu，并一直等待对象被删除后才返回。还有call_rcu_bh与synchronize_rcu_bh等接口函数，会在后续讲述。

2，rcu_read_lock 和 rcu_read_unlock

static inline void __rcu_read_lock(void){preempt_disable();}static inline void __rcu_read_unlock(void){preempt_enable();}

static inline void rcu_read_lock(void){__rcu_read_lock();__acquire(RCU);rcu_lock_acquire(&rcu_lock_map);rcu_lockdep_assert(!rcu_is_cpu_idle(),"rcu_read_lock() used illegally while idle");}static inline void rcu_read_unlock(void){rcu_lockdep_assert(!rcu_is_cpu_idle(),"rcu_read_unlock() used illegally while idle");rcu_lock_release(&rcu_lock_map);__release(RCU);__rcu_read_unlock();}

rcu_read_lock与rcu_read_unlock在非抢占式下的实现比较简单就是 preempt_disable与preempt_enable。这样做的目的是当调用schedule的时候，就可以肯定读的过程已经结束。其它_acquire(RCU)等函数是调试用的代码，暂不做讨论。

3， rcu_note_context_switch 在schedule中调用，每次进程切换就代表着一个静止状态。该函数会把当前的CPU状态设置为通过状态。

4， rcu_check_callbacks 在每次时钟周期里调用(update_process_times)。通过它会触发软件中断，软件中断对应着rcu_process_callbacks，这是一个真正繁忙的函数，他会检测当前CPU的状态，向父节点传递静止状态信息，调用注册函数等一系列工作。

在进一步了解这些函数之前，我们先来看看你Tree RCU的结构。

TREE RCU简介

在统计CPU的状态的时候，需要用到一个结构来存放所有CPU的状态。在早期的实现中，所有的状态都保存在一个结构中，这样做的后果是所有的CPU在更新自己状态的时候，都需要锁定该结构对象，一定程度上影响了系统性能。为了提高性能，把一定数目的CPU组成了一个节点(默认设定64个CPU为一个节点)；当节点超过64个的时候，再把这些节点按64为单位划分为归属不同的父节点；如此类推，最后的一个单独的节点作为根节点。这样在更新CPU状态的时候，只需要锁定自己所属的节点就可以了。按节点设置的数目，可见这个结构只对CPU数成百上千的系统才真正起作用(我都没见过超过32个cpu的机器，不知道是啥样的感觉)。

这样所有的CPU就按层级结构组织了起来，也就是一个树结构。当一个系统的CPU数少于64个的时候，只要一个rcu_node就可以。

每个CPU在完成宽限期检测的时候，就会去更新它所属的rcu_node的值，当一个rcu_node所包含的CPU的状态都更新过以后，该node就会去更新它所属的父节点的值。直到最后一个根节点。

TREE RCU数据结构

为了实现该结构，系统提供了以下结构。

rcu_data

由于RCU需要统计每个CPU是否通过了宽限期，提供了rcu_data来保存信息。另外每个销毁的对象并不是直接删除，也保存在rcu_data中，等到合适的时机来执行。

struct rcu_data {/* 1) 静止状态和宽限期处理: */unsigned long completed; /* 对比 rsp->completed *//* 目的是检测宽限期是否完成. */unsigned long gpnum; /* 当前CPU上最高的宽限期数目*//* 在宽限期开始的时候设置. */unsigned long passed_quiesce_gpnum;/* 已经通过的宽限期数目. */bool passed_quiesce; /* 是否通过了静止状态，在进程切换等状态会设置. */bool qs_pending; /* 对于当前执行的宽限期，该CPU是否执行完成. */bool beenonline; /* CPU是否在线，不在线的CPU需要特殊处理，以提高性能*/bool preemptible; /* 是否抢占式RCU? */struct rcu_node *mynode; /* 这个CPU对应的 rcu_node */unsigned long grpmask; /* 占用1bit，对应与所属的rcu_node. */#ifdef CONFIG_RCU_CPU_STALL_INFOunsigned long ticks_this_gp; /* The number of scheduling-clock *//* ticks this CPU has handled *//* during and after the last grace *//* period it is aware of. */#endif /* #ifdef CONFIG_RCU_CPU_STALL_INFO *//* 2) 批处理*//*** 当nxtlist不为空的时候，会通过nxttail划分为以下几部分* 每一个部分为空的时候，它的指针会被设置成与它的下一部分相同* 当nxtlist为空的时候，所有的nxttail都会指向nxtlist的地址，这时候nxtlist指向NULL** [nxtlist, *nxttail[RCU_DONE_TAIL]):* 批处理的开始节点# <= ->completed* 这些节点的宽限期已经完成，可以执行销毁操作。* 当调用rcu_process_callbacks()的时候，下一批完成宽限期的节点也会放到这儿.* [*nxttail[RCU_DONE_TAIL], *nxttail[RCU_WAIT_TAIL]):* 批处理的开始节点 # <= ->completed - 1: 等待当前的批处理完成* [*nxttail[RCU_WAIT_TAIL], *nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL]):* 已知的当下次宽限期开始，可以开始等待的节点。* [*nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL], *nxttail[RCU_NEXT_TAIL]):* 当前不确定下次宽限期开始后，是否可以开始等待状态的节点。* *nxttail[RCU_NEXT_TAIL] 的值将永远是NULL，* 它表示nxtlist的结束.**/struct rcu_head *nxtlist;struct rcu_head **nxttail[RCU_NEXT_SIZE];long qlen_lazy; /* # kfree_rcu调用的次数，kfee_rcu等同于call_rcu，只是它不需要销毁的对象提供销毁函数*/long qlen; /* # 当前需要执行销毁操作的次数，每次call_rcu会加一，执行过后减一*/long qlen_last_fqs_check;/* 对应与qlen，最后一次执行的次数*/unsigned long n_cbs_invoked; /* 执行销毁操作的次数. */unsigned long n_cbs_orphaned; /* 统计离线后CPU上剩下的callback函数的个数 */unsigned long n_cbs_adopted; /* 从离线后的CPU上移出的callback函数的个数 */unsigned long n_force_qs_snap;/* 其它CPU是否在执行fore_qs? */long blimit; /* nxtlist保存的上限 *//* 3) 动态时钟,*/struct rcu_dynticks *dynticks; /* 每个CPU都包含一个动态时钟. */int dynticks_snap; /* 用于检测CPU是否在线. *//* 4) 强制执行时候处理的CPU */unsigned long dynticks_fqs; /* 由于进入dynticks idle而被处理的CPU. */unsigned long offline_fqs; /* 由于不在在线被处理的CPU. *//* 5) __rcu_pending() 的统计信息，这些信息都是在记录调用信息的时候使用. */unsigned long n_rcu_pending; /* rcu_pending() 调用次数，自从启动. */unsigned long n_rp_qs_pending;unsigned long n_rp_report_qs;unsigned long n_rp_cb_ready;unsigned long n_rp_cpu_needs_gp;unsigned long n_rp_gp_completed;unsigned long n_rp_gp_started;unsigned long n_rp_need_fqs;unsigned long n_rp_need_nothing;/* 6) _rcu_barrier() 的回调函数. */struct rcu_head barrier_head;int cpu;struct rcu_state *rsp;};

1，completed ，gpnum ， passed_quiesce_gpnum

gpnum表示当前正在运行的宽限期的个数，每当一个宽限期开始的时候，会设置这个值与其父节点相同。passed_quiesce_gpnum为当前CPU通过的宽限期个数，它的值在宽限期开始的时候小于gpnum，当这个CPU经过一个静止状态的时候，会把它设置成gpnum的值，通过对比它与父节点中的gpnum是否相同，可以确定该CPU是否通过了宽限期。passed_quiesce_gpnum只是表示这个CPU通过了宽限期，而completed表示所有的CPU都通过了宽限期，设置该值的同时，可以将nxtlist中等待的回调函数移动到完成队列。

2，nxtlist 与nxttail

nxtlist保存的是指向rcu_head对象，rcu_head的定义如下：

struct callback_head {struct callback_head *next;void (*func)(struct callback_head *head);};#define rcu_head callback_head

rcu_head的结构并不复杂，它包含一个回调函数指针。而next可以把rcu_head连成一个列表。

nxtlist指向一个rcu_head 列表，而nxttail的四个元素是指向指针的指针，它们指向的是rcu_head对象的next。RCU_DONE_TAIL指向的rcu_head对象之前的对象是可以销毁的对象。RCU_WAIT_TAIL指向的正在等待宽限期的元素，RCU_NEXT_READ_TAIL指向的是等待下次宽限期的元素，RCU_NEXT_TAIL指向最后一个元素，这个元素总是指向NULL。

rcu_node

struct rcu_node {raw_spinlock_t lock; /* rcu_node的锁，用来保护以下的一些成员*/unsigned long gpnum; /* 该节点当前的宽限期的数量 *//* 该值等于或者比父节点的值小1*/unsigned long completed; /* 该节点完成的宽限期数量*//* 该值等于或者比父节点的值小1*/unsigned long qsmask; /* 标记这个节点对应的所有CPU或者子节点是否完成了当前的宽限期*//* 每一个bit对应一个cpu或者一个子节点.*/unsigned long expmask; /* 需要执行 ->blkd_tasks 的元素 *//* (应用于TREE_PREEMPT_RCU). */atomic_t wakemask; /* 需要唤醒kthread的CPU. */unsigned long qsmaskinit;/* 每个宽限期开始时，用它来初始化qsmask，不存在或者不在线的CPU需要清除. */unsigned long grpmask; /* 对应于父节点中的位置. *//* 只是用一bit. */int grplo; /* 该节点代表的CPU或者子节点开始的位置. */int grphi; /* 该节点代表的CPU或者子节点结束的位置. */u8 grpnum; /* 下一级的CPU或者子节点的个数. */u8 level; /* 跟节点是 0. */struct rcu_node *parent;struct list_head blkd_tasks;/* 阻断读关键段的任务列表 *//* */struct list_head *gp_tasks;/* 指向第一个阻断读关键段的任务 */struct list_head *exp_tasks;/*以下为抢先式下加速RCU过程的变量*/#ifdef CONFIG_RCU_BOOSTstruct list_head *boost_tasks;/* Pointer to first task that needs to be *//* priority boosted, or NULL if no priority *//* boosting is needed for this rcu_node *//* structure. If there are no tasks *//* queued on this rcu_node structure that *//* are blocking the current grace period, *//* there can be no such task. */unsigned long boost_time;/* When to start boosting (jiffies). */struct task_struct *boost_kthread_task;/* kthread that takes care of priority *//* boosting for this rcu_node structure. */unsigned int boost_kthread_status;/* State of boost_kthread_task for tracing. */unsigned long n_tasks_boosted;/* Total number of tasks boosted. */unsigned long n_exp_boosts;/* Number of tasks boosted for expedited GP. */unsigned long n_normal_boosts;/* Number of tasks boosted for normal GP. */unsigned long n_balk_blkd_tasks;/* Refused to boost: no blocked tasks. */unsigned long n_balk_exp_gp_tasks;/* Refused to boost: nothing blocking GP. */unsigned long n_balk_boost_tasks;/* Refused to boost: already boosting. */unsigned long n_balk_notblocked;/* Refused to boost: RCU RS CS still running. */unsigned long n_balk_notyet;/* Refused to boost: not yet time. */unsigned long n_balk_nos;/* Refused to boost: not sure why, though. *//* This can happen due to race conditions. */#endif /* #ifdef CONFIG_RCU_BOOST */struct task_struct *node_kthread_task;/* kthread that takes care of this rcu_node *//* structure, for example, awakening the *//* per-CPU kthreads as needed. */unsigned int node_kthread_status;/* State of node_kthread_task for tracing. */} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

每个rcu_node代表着 一组CPU或者子节点。在非抢占式下，它的结构并不复杂。由于可能有多个CPU对它进行处理，所有进行相应操作的时候，需要lock保护。

rcu_state

struct rcu_state {struct rcu_node node[NUM_RCU_NODES]; /* 保存了所有的节点. */struct rcu_node *level[RCU_NUM_LVLS]; /* 每个层级所指向的节点. */u32 levelcnt[MAX_RCU_LVLS + 1]; /* # 每一层的节点数. */u8 levelspread[RCU_NUM_LVLS]; /* 每一层的CPU/节点数. */struct rcu_data __percpu *rda; /* 指向rcu_data. */void (*call)(struct rcu_head *head, /* rcu_barrier指向的回调函数. */void (*func)(struct rcu_head *head));/* The following fields are guarded by the root rcu_node's lock. */u8 fqs_state ____cacheline_internodealigned_in_smp;/* 调用force_quiescent_state时的状态. */u8 fqs_active; /* force_quiescent_state() 正在运行*/u8 fqs_need_gp; /* 因为 force_quiescent_state() 正在运行*//* 一个CPU需要运行的宽限期被阻止*/u8 boost; /* 加速. */unsigned long gpnum; /* 当前的宽限起数量. */unsigned long completed; /* # 最后一次完成的宽限期数量. *//* 以下的成员被根rcu_node的lock保护. */raw_spinlock_t onofflock; /* 开始一个新的宽限期的时候，阻止CPU上下线*/struct rcu_head *orphan_nxtlist; /* 等待宽限期的孤儿回调函数的列表 */struct rcu_head **orphan_nxttail; /* 以上列表的结尾. */struct rcu_head *orphan_donelist; /* 需要执行的孤儿回调函数列表 */struct rcu_head **orphan_donetail; /* 以上列表的结尾. */long qlen_lazy; /* 懒惰回调函数的个数. */long qlen; /* 总的回调函数的个数. */struct task_struct *rcu_barrier_in_progress;/* 调用rcu_barrier()的进程, *//* 没有的话指向NULL. */struct mutex barrier_mutex; /* 执行barrier需要的互斥锁. */atomic_t barrier_cpu_count; /* # 等待barrier的CPU数 . */struct completion barrier_completion; /* 在barrier结束的时候调用. */unsigned long n_barrier_done; /* 在_rcu_barrier()开始结束处都需要调用++ */raw_spinlock_t fqslock; /* 只有一个进程能调用 force_quiescent_state().*/unsigned long jiffies_force_qs; /* force_quiescent_state()开始的时间 */unsigned long n_force_qs; /* 调用force_quiescent_state()的次数 */unsigned long n_force_qs_lh; /* 因为lock不可用，而退出force_quiescent_state()的次数 */unsigned long n_force_qs_ngp; /* 因为当前有宽限期执行，而退出force_quiescent_state()的次数*/unsigned long gp_start; /* 宽限期开始的时间*/unsigned long jiffies_stall;unsigned long gp_max; /* 最长的宽限的jiffie数 */char *name; /* 结构的名字. */struct list_head flavors; /* 系统中的rcu_state. */};

rcu_state 保存了所有的node，宽限期的判断只要取出根节点，也就是第一个元素就可以。还有一些初始化要用到的变量。还有孤儿回调函数用于处理离线CPU遗留的信息。剩下还有很多统计信息，这些内容在讲解代码实现的时候再仔细考虑。

TREE RCU实现之二 —— 主干函数

RCU的实现集中在以下几个步骤：

1， 调用call_rcu，将回调函数增加到列表。

2, 开始一个宽限期。

3, 每个CPU报告自己的状态，直到最后一个CPU，结束一个宽限期。

4， 宽限期结束，每个CPU处理自己的回调函数。

call_rcu的实现

static void__call_rcu(struct rcu_head *head, void (*func)(struct rcu_head *rcu),struct rcu_state *rsp, bool lazy){unsigned long flags;struct rcu_data *rdp;WARN_ON_ONCE((unsigned long)head & 0x3); /* 检测head在内存中是否对齐! */debug_rcu_head_queue(head);head->func = func;head->next = NULL;smp_mb(); /* Ensure RCU update seen before callback registry. *//** 这是一个检测宽限期开始或者结束的机会。* 当我们看到一个结束的时候，可能还会看到一个开始。* 反过来，看到一个开始的时候，不一定能看到一个结束，* 因为宽限期结束需要一定时间。*/local_irq_save(flags);rdp = this_cpu_ptr(rsp->rda);/* 将要增加callback到nxtlist. */ACCESS_ONCE(rdp->qlen)++;if (lazy)rdp->qlen_lazy++;elsercu_idle_count_callbacks_posted();smp_mb(); /* Count before adding callback for rcu_barrier(). */*rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] = head;rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] = &head->next;if (__is_kfree_rcu_offset((unsigned long)func))trace_rcu_kfree_callback(rsp->name, head, (unsigned long)func,rdp->qlen_lazy, rdp->qlen);elsetrace_rcu_callback(rsp->name, head, rdp->qlen_lazy, rdp->qlen);/* 去处理rcu_core。 */__call_rcu_core(rsp, rdp, head, flags);local_irq_restore(flags);}

call_rcu中最主要的工作，就是将回调函数加入到CPU的nxtlist列表。这里用到了指针处理的小技巧，我们来看看。首先看看nxttail的初始化：

static void init_callback_list(struct rcu_data *rdp){int i;rdp->nxtlist = NULL;for (i = 0; i < RCU_NEXT_SIZE; i++)rdp->nxttail[i] = &rdp->nxtlist;}

我们看到nxttail的全部成员都指向了nxtlist的地址。当nxtlist为空的时候，也是这个情形。

*rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] = head;

当nxtlist为空的时候， *rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] 得到的其实就是nxtlist，将head的值赋予它。

rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] = &head->next;

之后 RCU_NEXT_TAIL指向 head的next指针。这样当再有一个节点加入的时候，*rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL]得到的其实就是前一次加入的head的next指针，它将指向新加入的值。如此，nxtlist就成为了一个链表。或者这样理解，rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] 指向的就是nxtlist中最后一个节点的 next指针。

除了将回调函数插入，该函数其它代码多为检查代码。而最后要调用__call_rcu_core，该函数的功用主要是在回调函数太多或者等待时间过长的状态下，强制执行RCU状态更新。我们暂时不关注。

开始一个宽限期

在一个宽限期结束，或者当一个CPU检测到自身有需要一个宽限期的时候会开始一个新的宽限期，开始宽限期的代码如下：

static voidrcu_start_gp(struct rcu_state *rsp, unsigned long flags)__releases(rcu_get_root(rsp)->lock){struct rcu_data *rdp = this_cpu_ptr(rsp->rda);struct rcu_node *rnp = rcu_get_root(rsp);if (!rcu_scheduler_fully_active ||!cpu_needs_another_gp(rsp, rdp)) {/** 如果scheduler 还没有启动non-idle任务* 或者不需要启动一个新的宽限期则退出。* 需要再次判断cpu_needs_another_gp，* 是因为可能有多个CPU执行这个过程。*/raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);return;}if (rsp->fqs_active) {/** 这个CPU需要一个宽限期，而force_quiescent_state()* 正在运行，告诉它开始一个。*/rsp->fqs_need_gp = 1;raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);return;}/* 开始一个新的宽限期并且初始化。 */rsp->gpnum++;trace_rcu_grace_period(rsp->name, rsp->gpnum, "start");WARN_ON_ONCE(rsp->fqs_state == RCU_GP_INIT);rsp->fqs_state = RCU_GP_INIT; /* 阻止 force_quiescent_state。 */rsp->jiffies_force_qs = jiffies + RCU_JIFFIES_TILL_FORCE_QS;record_gp_stall_check_time(rsp);raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* leave irqs disabled. *//* 排除CPU的热插拔。*/raw_spin_lock(&rsp->onofflock); /* irqs already disabled. *//** 从父节点开始以广度优先的方式，遍历所有的节点，设置qsmask的值，* 所有在线CPU所在bit都将被设置成1。* 通过遍历rsp->node[]数组就可以达到这个目的。* 其它CPU在自己所属的节点还没有被设置前，只有可能访问这个节点，* 因为它所作的判断是宽限期还没有开始。* 此外，我们排除了CPU热插拔。** 直到初始化过程完成之前，这个宽限期不可能完成，因为至少当前的* CPU所属的bit将不会被设置。这个是因为我们启动了禁止中断，所以* 这个CPU不会调用到宽限期检测代码。*/rcu_for_each_node_breadth_first(rsp, rnp) {raw_spin_lock(&rnp->lock); /* irqs already disabled. */rcu_preempt_check_blocked_tasks(rnp);rnp->qsmask = rnp->qsmaskinit;rnp->gpnum = rsp->gpnum;rnp->completed = rsp->completed;if (rnp == rdp->mynode)rcu_start_gp_per_cpu(rsp, rnp, rdp);rcu_preempt_boost_start_gp(rnp);trace_rcu_grace_period_init(rsp->name, rnp->gpnum,rnp->level, rnp->grplo,rnp->grphi, rnp->qsmask);raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* irqs remain disabled. */}rnp = rcu_get_root(rsp);raw_spin_lock(&rnp->lock); /* irqs already disabled. */rsp->fqs_state = RCU_SIGNAL_INIT; /* force_quiescent_state now OK. */raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* irqs remain disabled. */raw_spin_unlock_irqrestore(&rsp->onofflock, flags);}

标记一个新的宽限期开始，rcu_state要做的就是将gp_num加1。然后再设置所有node，qsmask被设置成qsmasinit，qsmask每个bit代表一个CPU，所有在线的CPU都将被设置成1；gpnum将被设置成新值。嗯，一个新宽限期的开始只需要设置这些标记位。

CPU的宽限期检测

当一个宽限期开始后，每个CPU都需要检测自己的状态，如果已经通过静止状态，那么就向上一级node进行报告。

这个处理过程，可以分为两个步骤：

1， 检测新的处理过程开始，设置rcu_data中的gpnum和passed_quiesce，另外用qs_pending标记一个待处理的新宽限期的开始。

2， 一个静止状态结束，向上一级node报告这个过程。

这两个过程通过rcu_check_quiescent_state()来实现，需要注意的是这个函数隔一段时间调用一次，并不只调用一次。

/** 检测这个CPU是否还不知道一个新宽限期开始，如果是设置它的变量。* 否则检查它是不是第一次通过静止状态，如果是，向上报告。*/static voidrcu_check_quiescent_state(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){/* 如果有新的宽限期开始，记录它并返回。*/if (check_for_new_grace_period(rsp, rdp))return;/** 这个CPU是否已经处理过它的宽限期?如果是返回。*/if (!rdp->qs_pending)return;/** 是否通过了静止状态？如果没有，返回。*/if (!rdp->passed_quiesce)return;/** 向所属的node报告。(但rcu_report_qs_rdp() 仍然会去判断它)。*/rcu_report_qs_rdp(rdp->cpu, rsp, rdp, rdp->passed_quiesce_gpnum);}

A， CPU检测新宽限期的开始

/** 为当前CPU，更新rcu_data的状态，去标记一个新宽限期的开始* 如果当前CPU启动了一个宽限期或者检测到一个新的宽限期开始，* 都需要调用这个函数。这个过程必须锁定父节点的lock，另外需* 要禁止中断*/static void __note_new_gpnum(struct rcu_state *rsp, struct rcu_node *rnp, struct rcu_data *rdp){if (rdp->gpnum != rnp->gpnum) {/** 如果当前的宽限期需要处理这个CPU的状态，设置并* 去检测它的静止状态。否则不要去管它。*/rdp->gpnum = rnp->gpnum;trace_rcu_grace_period(rsp->name, rdp->gpnum, "cpustart");if (rnp->qsmask & rdp->grpmask) {rdp->qs_pending = 1;rdp->passed_quiesce = 0;} else {rdp->qs_pending = 0;}zero_cpu_stall_ticks(rdp);}}static void note_new_gpnum(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){unsigned long flags;struct rcu_node *rnp;local_irq_save(flags);rnp = rdp->mynode;if (rdp->gpnum == ACCESS_ONCE(rnp->gpnum) || /* outside lock. */!raw_spin_trylock(&rnp->lock)) { /* irqs already off, so later. */local_irq_restore(flags);return;}__note_new_gpnum(rsp, rnp, rdp);raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);}/** 在我们的上次检测之后，其它CPU启动了一个新的宽限期？* 如果是更新相应的rcu_data的状态。* 必须是在rdp对应的CPU上执行。*/static intcheck_for_new_grace_period(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){unsigned long flags;int ret = 0;local_irq_save(flags);if (rdp->gpnum != rsp->gpnum) {note_new_gpnum(rsp, rdp);ret = 1;}local_irq_restore(flags);return ret;}

check_for_new_grace_period 和 note_new_gpnum分别用来检测rdp的gpnum与rsp已经对应的rnp的值是否相同，来确定是否有一个新的宽限期开始。之所以需要检测两次，是因为在rsp设置以后，rnp可能并没有设置完成。

__note_new_gpnum 将设置gpnum的值。另外设置 qs_pending为1，该标记位代表该节点还没有向父节点报告自己的状态；passed_quiesce为0，表示需要一个静止状态，设置该位是因为下次调用rcu_check_quiescent_state()可能是在一个读过程还没有结束的时候。

qs_pending的状态有可能为0，这只在以下情形下出现：当前CPU在宽限期开始的时候实在离线状态，而现在变成了在线。

我们注意到在 check_for_new_grace_period检测到有新的宽限期开始后，rcu_check_quiescent_state将直接返回，因为这个宽限期可能是在该CPU的上一个静止状态之前已经开始，所以需要等待下一个静止状态。

B，CPU报告静止状态

当再一次调用到rcu_check_quiescent_state()的时候，check_for_new_grace_period()将返回FALSE，接着运行后面的函数来判断 qs_pending 和 passed_quiesce 的值来决定是否调用rcu_report_qs_rdp。需要判断qs_peding是因为当这次rcu_report_qs_rdp调用成功的时候，下次再运行rcu_check_quiescent_state()则不需要继续运行后续函数。

static voidrcu_report_qs_rdp(int cpu, struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp, long lastgp){unsigned long flags;unsigned long mask;struct rcu_node *rnp;rnp = rdp->mynode;raw_spin_lock_irqsave(&rnp->lock, flags);if (lastgp != rnp->gpnum || rnp->completed == rnp->gpnum) {/** 如果宽限期的处理已经完成，那么返回。*/rdp->passed_quiesce = 0; /* need qs for new gp. */raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);return;}mask = rdp->grpmask;if ((rnp->qsmask & mask) == 0) {raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);} else {rdp->qs_pending = 0;/** 可以确定这个宽限期还没有结束，所以可以确定当前CPU上的* 所有回调函数可以在下次宽限期结束后处理。*/rdp->nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL] = rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL];rcu_report_qs_rnp(mask, rsp, rnp, flags); /* rlses rnp->lock */}}

从我看来，这个函数只会调用到最后一个else分支，而之前的连个if分支都不会调用到。因为在调用该函数前，代码已经做了必要的检测。

以此来看，这个函数的功用就是设置qs_pending的值，阻止这次宽限期没有完成之前再次调用掉该函数；设置nxttail，决定下次宽限期后可以执行的回调函数；然后向父节点报告静止状态完成。

C，向上报告

static voidrcu_report_qs_rnp(unsigned long mask, struct rcu_state *rsp,struct rcu_node *rnp, unsigned long flags)__releases(rnp->lock){struct rcu_node *rnp_c;/* 向上遍历所有层级 */for (;;) {if (!(rnp->qsmask & mask)) {/* 这个CPU的标记已经被清除，证明已经处理过了，返回 */raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);return;}rnp->qsmask &= ~mask;trace_rcu_quiescent_state_report(rsp->name, rnp->gpnum,mask, rnp->qsmask, rnp->level,rnp->grplo, rnp->grphi,!!rnp->gp_tasks);if (rnp->qsmask != 0 || rcu_preempt_blocked_readers_cgp(rnp)) {/* 这个节点中还有其它CPU没有处理完成，那么返回 */raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);return;}mask = rnp->grpmask;if (rnp->parent == NULL) {/* 到这儿，已经到了根节点 */break;}raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);rnp_c = rnp;rnp = rnp->parent;raw_spin_lock_irqsave(&rnp->lock, flags);WARN_ON_ONCE(rnp_c->qsmask);}/** 程序运行到这儿，说明所有的CPU都通过了宽限期，* 那么调用rcu_report_qs_rsp()来结束这个宽限期。*/rcu_report_qs_rsp(rsp, flags); /* releases rnp->lock. */}

这个过程并不复杂，清理rnp中qsmask对应该CPU的bit。然后判断该节点是否处理完成，如果是则继续向上调用，否则就退出函数。最后一个CPU调用后，可以调用到rcu_report_qs_rsp()。

static void rcu_report_qs_rsp(struct rcu_state *rsp, unsigned long flags)__releases(rcu_get_root(rsp)->lock){unsigned long gp_duration;struct rcu_node *rnp = rcu_get_root(rsp);struct rcu_data *rdp = this_cpu_ptr(rsp->rda);WARN_ON_ONCE(!rcu_gp_in_progress(rsp));/** Ensure that all grace-period and pre-grace-period activity* is seen before the assignment to rsp->completed.*/smp_mb(); /* See above block comment. */gp_duration = jiffies - rsp->gp_start;if (gp_duration > rsp->gp_max)rsp->gp_max = gp_duration;/** 当前CPU知道宽限期已经结束，不过其它CPU都认为它还在运行。* 由于completed还没有设置，其它CPU都不会对父node进行处理。* 所以这时候将各个node标记为完成是安全的。** 不过当前CPU有等待下一次宽限期的回调函数的时候，我们会* 先去处理下一个宽限期。* 这儿使用RCU_WAIT_TAIL代替了RCU_DONE_TAIL，这是因为当前* CPU还没有进一步处理完成状态，当前RCU_WAIT_TAIL状态的元* 素其实在这次宽限期结束后，已经可以执行了。**/if (*rdp->nxttail[RCU_WAIT_TAIL] == NULL) {raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* irqs remain disabled. *//** 设置 rnp->completed的值，避免这个过程要等到下一次宽限期开始。*/rcu_for_each_node_breadth_first(rsp, rnp) {raw_spin_lock(&rnp->lock); /* irqs already disabled. */rnp->completed = rsp->gpnum;raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* irqs remain disabled. */}rnp = rcu_get_root(rsp);raw_spin_lock(&rnp->lock); /* irqs already disabled. */}rsp->completed = rsp->gpnum; /* Declare the grace period complete. */trace_rcu_grace_period(rsp->name, rsp->completed, "end");rsp->fqs_state = RCU_GP_IDLE;rcu_start_gp(rsp, flags); /* releases root node's rnp->lock. */}

这个过程最主要的内容就是设置rsp->completed的值，中间多了对node的处理。因为在rcu_start_gp中也会对node进行处理，当前CPU无法判断其它CPU是否需要一个宽限期，但它自身还有等待宽限期的回调函数的时候，它确定会有一个新的宽限期马上开始，所以忽略这个过程。

CPU的宽限期结束处理

这个过程也可以分为两个步骤，第一步是检查宽限期是否结束，第二步是调用已完成的回调函数。

A, CPU检测宽限期的结束

每个CPU都会定期检查当前的宽限期是否结束，如果结束将处理自身状态已经nxtlist表。rcu_process_gp_end就是用来做这个事情:

static voidrcu_process_gp_end(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){unsigned long flags;struct rcu_node *rnp;local_irq_save(flags);rnp = rdp->mynode;if (rdp->completed == ACCESS_ONCE(rnp->completed) || /* outside lock. */!raw_spin_trylock(&rnp->lock)) { /* irqs already off, so later. */local_irq_restore(flags);return;}__rcu_process_gp_end(rsp, rnp, rdp);raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);}

当 rdp->completed与rnp->completed的值不同的时候，会调用__rcu_process_gp_end来完成具体的工作。

static void__rcu_process_gp_end(struct rcu_state *rsp, struct rcu_node *rnp, struct rcu_data *rdp){/* 之前的宽限期是否完成？ */if (rdp->completed != rnp->completed) {/* 推进回调函数，即使是NULL指针也没关系。 */rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL] = rdp->nxttail[RCU_WAIT_TAIL];rdp->nxttail[RCU_WAIT_TAIL] = rdp->nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL];rdp->nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL] = rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL];/* 更新completed。 */rdp->completed = rnp->completed;trace_rcu_grace_period(rsp->name, rdp->gpnum, "cpuend");/** 如果当前的CPU在外部的静止的状态(如离线状态)，* 可能已经错过了其它CPU发起的宽限期。所以需要更* 新gpnum的值，同时要注意不要错过当前正在运行的* 宽限期，所以它的值被设置成与rnp->completed相同，* 此时rnp->gpnum 可以已经加1，那么后续的调用* rcu_check_quiescent_state()会去检测新的宽限期。*/if (ULONG_CMP_LT(rdp->gpnum, rdp->completed))rdp->gpnum = rdp->completed;/** 如果下次的宽限期不需要当前CPU报告静止状态,* 设置qs_pending为0。*/if ((rnp->qsmask & rdp->grpmask) == 0)rdp->qs_pending = 0;}}

这个过程的重点是设置nxttail的值，将根据它来进行下一步的处理。

B,回调函数的调用

static void rcu_do_batch(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){unsigned long flags;struct rcu_head *next, *list, **tail;int bl, count, count_lazy, i;/* 没有回调函数，那么返回。*/if (!cpu_has_callbacks_ready_to_invoke(rdp)) {trace_rcu_batch_start(rsp->name, rdp->qlen_lazy, rdp->qlen, 0);trace_rcu_batch_end(rsp->name, 0, !!ACCESS_ONCE(rdp->nxtlist),need_resched(), is_idle_task(current),rcu_is_callbacks_kthread());return;}/** 提取回调函数的list，需要禁用中断，以防止调用call_rcu()。*/local_irq_save(flags);WARN_ON_ONCE(cpu_is_offline(smp_processor_id()));bl = rdp->blimit;trace_rcu_batch_start(rsp->name, rdp->qlen_lazy, rdp->qlen, bl);list = rdp->nxtlist;/** 已经将list指向了nxtlist，此时将nxtlist指向 *rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL]。* 由于nxttail指向的是 rcu_head中的next指针的地址，所以此处得到的就是next所* 指向的rcu_head对象。*/rdp->nxtlist = *rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL];/*将*rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL]指向NULL，也就是将list中的最后一个元素的next设置成NULL*/*rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL] = NULL;/*tail指向list最后一个元素的next指针的地址*/tail = rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL];/*此时rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL]指向的内容已经移出，所以让它重新指向nxtlist的地址*/for (i = RCU_NEXT_SIZE - 1; i >= 0; i--)if (rdp->nxttail[i] == rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL])rdp->nxttail[i] = &rdp->nxtlist;local_irq_restore(flags);/* 调用回调函数 */count = count_lazy = 0;while (list) {next = list->next;prefetch(next);debug_rcu_head_unqueue(list);if (__rcu_reclaim(rsp->name, list))count_lazy++;list = next;/* 当已经全部运行完毕或者CPU有更重要的事情的时候，退出循环。 */if (++count >= bl &&(need_resched() ||(!is_idle_task(current) && !rcu_is_callbacks_kthread())))break;}local_irq_save(flags);trace_rcu_batch_end(rsp->name, count, !!list, need_resched(),is_idle_task(current),rcu_is_callbacks_kthread());/* 更新数量。并将没有执行完的回调函数重新放进列表。 */if (list != NULL) {*tail = rdp->nxtlist;rdp->nxtlist = list;for (i = 0; i < RCU_NEXT_SIZE; i++)if (&rdp->nxtlist == rdp->nxttail[i])rdp->nxttail[i] = tail;elsebreak;}smp_mb(); /* 为了 rcu_barrier()统计运行过的回调函数 */rdp->qlen_lazy -= count_lazy;ACCESS_ONCE(rdp->qlen) -= count;rdp->n_cbs_invoked += count;/* Reinstate batch limit if we have worked down the excess. */if (rdp->blimit == LONG_MAX && rdp->qlen <= qlowmark)rdp->blimit = blimit;/* Reset ->qlen_last_fqs_check trigger if enough CBs have drained. */if (rdp->qlen == 0 && rdp->qlen_last_fqs_check != 0) {rdp->qlen_last_fqs_check = 0;rdp->n_force_qs_snap = rsp->n_force_qs;} else if (rdp->qlen < rdp->qlen_last_fqs_check - qhimark)rdp->qlen_last_fqs_check = rdp->qlen;WARN_ON_ONCE((rdp->nxtlist == NULL) != (rdp->qlen == 0));local_irq_restore(flags);/* 如果还有回调函数没有执行，通知再次调用软中断 */if (cpu_has_callbacks_ready_to_invoke(rdp))invoke_rcu_core();}

rcu_do_batch主要作用是取出nxtlist中，nxttail[RCU_DONE_TAIL]之前的元素，遍历执行它们。这时候销毁过程真正的执行了。这段函数需要仔细想想nxttail的处理。

到此RCU中涉及到的主干函数介绍完了，但是还需要与进程切换等过程交互。将在下节分析它们。

TREE RCU实现之三 —— 定期调用

上一节，介绍过了RCU实现中用到的主要函数。不过还需要定期的运行这些函数，整个机制才完整。

RCU的实现是通过在update_process_times() 中调用rcu_check_callbacks()来达到这个目的的。每个CPU都会定期的调用update_process_times()。rcu_check_callbacks()会去检查当前的RCU机制中是否有需要处理的内容，如当前CPU需要开启一个新的宽限期，当前CPU上的宽限期还没有处理完成。如果有需要处理的内容，将触发一个软件中断，真正的操作由软件中断触发的rcu_process_callbacks()来完成。

rcu_check_callbacks

void rcu_check_callbacks(int cpu, int user){trace_rcu_utilization("Start scheduler-tick");increment_cpu_stall_ticks();if (user || rcu_is_cpu_rrupt_from_idle()) {/** 如果是从用户模式或者是idle模式调用该函数，* 那么这个CPU是静止状态。** 此处不需要内存屏障。因为rcu_sched_qs()和* and rcu_bh_qs()支处理CPU自身的局部变量，* 其它CPU不会访问和修改,至少当CPU在线的时候。**/rcu_sched_qs(cpu);rcu_bh_qs(cpu);} else if (!in_softirq()) {/** 运行到这儿，如果不是软件中断。如果当前CPU上运行的* 软中断的读过程，肯定已经完成，所以标记它。**/rcu_bh_qs(cpu);}rcu_preempt_check_callbacks(cpu); /*抢先式下的检测*/if (rcu_pending(cpu))invoke_rcu_core();trace_rcu_utilization("End scheduler-tick");}

该函数的主要功能是通过 rcu_pending()判断是否当前有需要处理的rcu内容，如果有调用invoke_rcu_core()。

static int rcu_pending(int cpu){struct rcu_state *rsp;for_each_rcu_flavor(rsp)if (__rcu_pending(rsp, per_cpu_ptr(rsp->rda, cpu)))return 1;return 0;}

rcu_pending会循环所有的rcu_state，在非抢占式模式下，有rcu_sched_state 和rcu_bh_state 两个实例。

static int __rcu_pending(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){struct rcu_node *rnp = rdp->mynode;rdp->n_rcu_pending++;/* Check for CPU stalls, if enabled. */check_cpu_stall(rsp, rdp);/* 是否宽限期在等待这个CPU去完成静止状态呢? */if (rcu_scheduler_fully_active &&rdp->qs_pending && !rdp->passed_quiesce) {/** 如果force_quiescent_state() 需要马上执行，而这个CPU* 需要一个静止状态，强制执行本地进程切换。*/rdp->n_rp_qs_pending++;if (!rdp->preemptible &&ULONG_CMP_LT(ACCESS_ONCE(rsp->jiffies_force_qs) - 1,jiffies))set_need_resched();} else if (rdp->qs_pending && rdp->passed_quiesce) {rdp->n_rp_report_qs++;return 1;}/* 这个CPU是否有callbacks等着调用? */if (cpu_has_callbacks_ready_to_invoke(rdp)) {rdp->n_rp_cb_ready++;return 1;}/* 当前CPU有需要执行的宽限期，而没有其它的宽限期在执行? */if (cpu_needs_another_gp(rsp, rdp)) {rdp->n_rp_cpu_needs_gp++;return 1;}/* 另一个CPU上执行的宽限期结束? */if (ACCESS_ONCE(rnp->completed) != rdp->completed) { /* outside lock */rdp->n_rp_gp_completed++;return 1;}/* 有新的RCU开始? */if (ACCESS_ONCE(rnp->gpnum) != rdp->gpnum) { /* outside lock */rdp->n_rp_gp_started++;return 1;}/* 一个宽限期运行了太长时间，需要强制执行? */if (rcu_gp_in_progress(rsp) &&ULONG_CMP_LT(ACCESS_ONCE(rsp->jiffies_force_qs), jiffies)) {rdp->n_rp_need_fqs++;return 1;}/* 无事可做 */rdp->n_rp_need_nothing++;return 0;}

__rcu_pending 判断了可能存在的各种情形，如果有需要处理的工作的话，就返回1，否则返回0。

static void invoke_rcu_core(void){raise_softirq(RCU_SOFTIRQ);}invoke_rcu_core()的作用是开启软中断。在初始化的时候，系统已经注册了软中断。open_softirq(RCU_SOFTIRQ, rcu_process_callbacks);

static void rcu_process_callbacks(struct softirq_action *unused){struct rcu_state *rsp;trace_rcu_utilization("Start RCU core");for_each_rcu_flavor(rsp)__rcu_process_callbacks(rsp);trace_rcu_utilization("End RCU core");}

static void__rcu_process_callbacks(struct rcu_state *rsp){unsigned long flags;struct rcu_data *rdp = __this_cpu_ptr(rsp->rda);WARN_ON_ONCE(rdp->beenonline == 0);/** 如果一个宽限期运行了很长时间，那么强制静止状态。**/if (ULONG_CMP_LT(ACCESS_ONCE(rsp->jiffies_force_qs), jiffies))force_quiescent_state(rsp, 1);/** 处理宽限期结束相关内容。*/rcu_process_gp_end(rsp, rdp);/* 检测是否有新的宽限期开始或者静止状态需要向上报告。 */rcu_check_quiescent_state(rsp, rdp);/* 当前CPU需要新的宽限期吗? */if (cpu_needs_another_gp(rsp, rdp)) {raw_spin_lock_irqsave(&rcu_get_root(rsp)->lock, flags);rcu_start_gp(rsp, flags); /* releases above lock */}/* 如果有等着调用的回调函数，那么调用它。 */if (cpu_has_callbacks_ready_to_invoke(rdp))invoke_rcu_callbacks(rsp, rdp);}

软件中断其实就是调用之前提到过的函数来完成具体的任务。