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1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"
2         "http://www.w3.org/TR/html4/loose.dtd">
3         <html>
4         <head><title>A Tour Through RCU's Requirements [LWN.net]</title>
5         <meta HTTP-EQUIV="Content-Type" CONTENT="text/html; charset=utf-8">
6
7 <h1>A Tour Through RCU's Requirements</h1>
8
9 <p>Copyright IBM Corporation, 2015</p>
10 <p>Author: Paul E.&nbsp;McKenney</p>
11 <p><i>The initial version of this document appeared in the
12 <a href="https://lwn.net/">LWN</a> articles
13 <a href="https://lwn.net/Articles/652156/">here</a>,
14 <a href="https://lwn.net/Articles/652677/">here</a>, and
15 <a href="https://lwn.net/Articles/653326/">here</a>.</i></p>
16
17 <h2>Introduction</h2>
18
19 <p>
20 Read-copy update (RCU) is a synchronization mechanism that is often
21 used as a replacement for reader-writer locking.
22 RCU is unusual in that updaters do not block readers,
23 which means that RCU's read-side primitives can be exceedingly fast
24 and scalable.
25 In addition, updaters can make useful forward progress concurrently
26 with readers.
27 However, all this concurrency between RCU readers and updaters does raise
28 the question of exactly what RCU readers are doing, which in turn
29 raises the question of exactly what RCU's requirements are.
30
31 <p>
32 This document therefore summarizes RCU's requirements, and can be thought
33 of as an informal, high-level specification for RCU.
34 It is important to understand that RCU's specification is primarily
35 empirical in nature;
36 in fact, I learned about many of these requirements the hard way.
37 This situation might cause some consternation, however, not only
38 has this learning process been a lot of fun, but it has also been
39 a great privilege to work with so many people willing to apply
40 technologies in interesting new ways.
41
42 <p>
43 All that aside, here are the categories of currently known RCU requirements:
44 </p>
45
46 <ol>
47 <li>    <a href="#Fundamental Requirements">
48         Fundamental Requirements</a>
49 <li>    <a href="#Fundamental Non-Requirements">Fundamental Non-Requirements</a>
50 <li>    <a href="#Parallelism Facts of Life">
51         Parallelism Facts of Life</a>
52 <li>    <a href="#Quality-of-Implementation Requirements">
53         Quality-of-Implementation Requirements</a>
54 <li>    <a href="#Linux Kernel Complications">
55         Linux Kernel Complications</a>
56 <li>    <a href="#Software-Engineering Requirements">
57         Software-Engineering Requirements</a>
58 <li>    <a href="#Other RCU Flavors">
59         Other RCU Flavors</a>
60 <li>    <a href="#Possible Future Changes">
61         Possible Future Changes</a>
62 </ol>
63
64 <p>
65 This is followed by a <a href="#Summary">summary</a>,
66 however, the answers to each quick quiz immediately follows the quiz.
67 Select the big white space with your mouse to see the answer.
68
69 <h2><a name="Fundamental Requirements">Fundamental Requirements</a></h2>
70
71 <p>
72 RCU's fundamental requirements are the closest thing RCU has to hard
73 mathematical requirements.
74 These are:
75
76 <ol>
77 <li>    <a href="#Grace-Period Guarantee">
78         Grace-Period Guarantee</a>
79 <li>    <a href="#Publish-Subscribe Guarantee">
80         Publish-Subscribe Guarantee</a>
81 <li>    <a href="#Memory-Barrier Guarantees">
82         Memory-Barrier Guarantees</a>
83 <li>    <a href="#RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally">
84         RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally</a>
85 <li>    <a href="#Guaranteed Read-to-Write Upgrade">
86         Guaranteed Read-to-Write Upgrade</a>
87 </ol>
88
89 <h3><a name="Grace-Period Guarantee">Grace-Period Guarantee</a></h3>
90
91 <p>
92 RCU's grace-period guarantee is unusual in being premeditated:
93 Jack Slingwine and I had this guarantee firmly in mind when we started
94 work on RCU (then called &ldquo;rclock&rdquo;) in the early 1990s.
95 That said, the past two decades of experience with RCU have produced
96 a much more detailed understanding of this guarantee.
97
98 <p>
99 RCU's grace-period guarantee allows updaters to wait for the completion
100 of all pre-existing RCU read-side critical sections.
101 An RCU read-side critical section
102 begins with the marker <tt>rcu_read_lock()</tt> and ends with
103 the marker <tt>rcu_read_unlock()</tt>.
104 These markers may be nested, and RCU treats a nested set as one
105 big RCU read-side critical section.
106 Production-quality implementations of <tt>rcu_read_lock()</tt> and
107 <tt>rcu_read_unlock()</tt> are extremely lightweight, and in
108 fact have exactly zero overhead in Linux kernels built for production
109 use with <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>.
110
111 <p>
112 This guarantee allows ordering to be enforced with extremely low
113 overhead to readers, for example:
114
115 <blockquote>
116 <pre>
117  1 int x, y;
118  2
119  3 void thread0(void)
120  4 {
121  5   rcu_read_lock();
122  6   r1 = READ_ONCE(x);
123  7   r2 = READ_ONCE(y);
124  8   rcu_read_unlock();
125  9 }
126 10
127 11 void thread1(void)
128 12 {
129 13   WRITE_ONCE(x, 1);
130 14   synchronize_rcu();
131 15   WRITE_ONCE(y, 1);
132 16 }
133 </pre>
134 </blockquote>
135
136 <p>
137 Because the <tt>synchronize_rcu()</tt> on line&nbsp;14 waits for
138 all pre-existing readers, any instance of <tt>thread0()</tt> that
139 loads a value of zero from <tt>x</tt> must complete before
140 <tt>thread1()</tt> stores to <tt>y</tt>, so that instance must
141 also load a value of zero from <tt>y</tt>.
142 Similarly, any instance of <tt>thread0()</tt> that loads a value of
143 one from <tt>y</tt> must have started after the
144 <tt>synchronize_rcu()</tt> started, and must therefore also load
145 a value of one from <tt>x</tt>.
146 Therefore, the outcome:
147 <blockquote>
148 <pre>
149 (r1 == 0 &amp;&amp; r2 == 1)
150 </pre>
151 </blockquote>
152 cannot happen.
153
154 <table>
155 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
156 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
157 <tr><td>
158         Wait a minute!
159         You said that updaters can make useful forward progress concurrently
160         with readers, but pre-existing readers will block
161         <tt>synchronize_rcu()</tt>!!!
162         Just who are you trying to fool???
163 </td></tr>
164 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
165 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
166         First, if updaters do not wish to be blocked by readers, they can use
167         <tt>call_rcu()</tt> or <tt>kfree_rcu()</tt>, which will
168         be discussed later.
169         Second, even when using <tt>synchronize_rcu()</tt>, the other
170         update-side code does run concurrently with readers, whether
171         pre-existing or not.
172 </font></td></tr>
173 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
174 </table>
175
176 <p>
177 This scenario resembles one of the first uses of RCU in
178 <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/DYNIX">DYNIX/ptx</a>,
179 which managed a distributed lock manager's transition into
180 a state suitable for handling recovery from node failure,
181 more or less as follows:
182
183 <blockquote>
184 <pre>
185  1 #define STATE_NORMAL        0
186  2 #define STATE_WANT_RECOVERY 1
187  3 #define STATE_RECOVERING    2
188  4 #define STATE_WANT_NORMAL   3
189  5
190  6 int state = STATE_NORMAL;
191  7
192  8 void do_something_dlm(void)
193  9 {
194 10   int state_snap;
195 11
196 12   rcu_read_lock();
197 13   state_snap = READ_ONCE(state);
198 14   if (state_snap == STATE_NORMAL)
199 15     do_something();
200 16   else
201 17     do_something_carefully();
202 18   rcu_read_unlock();
203 19 }
204 20
205 21 void start_recovery(void)
206 22 {
207 23   WRITE_ONCE(state, STATE_WANT_RECOVERY);
208 24   synchronize_rcu();
209 25   WRITE_ONCE(state, STATE_RECOVERING);
210 26   recovery();
211 27   WRITE_ONCE(state, STATE_WANT_NORMAL);
212 28   synchronize_rcu();
213 29   WRITE_ONCE(state, STATE_NORMAL);
214 30 }
215 </pre>
216 </blockquote>
217
218 <p>
219 The RCU read-side critical section in <tt>do_something_dlm()</tt>
220 works with the <tt>synchronize_rcu()</tt> in <tt>start_recovery()</tt>
221 to guarantee that <tt>do_something()</tt> never runs concurrently
222 with <tt>recovery()</tt>, but with little or no synchronization
223 overhead in <tt>do_something_dlm()</tt>.
224
225 <table>
226 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
227 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
228 <tr><td>
229         Why is the <tt>synchronize_rcu()</tt> on line&nbsp;28 needed?
230 </td></tr>
231 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
232 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
233         Without that extra grace period, memory reordering could result in
234         <tt>do_something_dlm()</tt> executing <tt>do_something()</tt>
235         concurrently with the last bits of <tt>recovery()</tt>.
236 </font></td></tr>
237 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
238 </table>
239
240 <p>
241 In order to avoid fatal problems such as deadlocks,
242 an RCU read-side critical section must not contain calls to
243 <tt>synchronize_rcu()</tt>.
244 Similarly, an RCU read-side critical section must not
245 contain anything that waits, directly or indirectly, on completion of
246 an invocation of <tt>synchronize_rcu()</tt>.
247
248 <p>
249 Although RCU's grace-period guarantee is useful in and of itself, with
250 <a href="https://lwn.net/Articles/573497/">quite a few use cases</a>,
251 it would be good to be able to use RCU to coordinate read-side
252 access to linked data structures.
253 For this, the grace-period guarantee is not sufficient, as can
254 be seen in function <tt>add_gp_buggy()</tt> below.
255 We will look at the reader's code later, but in the meantime, just think of
256 the reader as locklessly picking up the <tt>gp</tt> pointer,
257 and, if the value loaded is non-<tt>NULL</tt>, locklessly accessing the
258 <tt>-&gt;a</tt> and <tt>-&gt;b</tt> fields.
259
260 <blockquote>
261 <pre>
262  1 bool add_gp_buggy(int a, int b)
263  2 {
264  3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
265  4   if (!p)
266  5     return -ENOMEM;
267  6   spin_lock(&amp;gp_lock);
268  7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
269  8     spin_unlock(&amp;gp_lock);
270  9     return false;
271 10   }
272 11   p-&gt;a = a;
273 12   p-&gt;b = a;
274 13   gp = p; /* ORDERING BUG */
275 14   spin_unlock(&amp;gp_lock);
276 15   return true;
277 16 }
278 </pre>
279 </blockquote>
280
281 <p>
282 The problem is that both the compiler and weakly ordered CPUs are within
283 their rights to reorder this code as follows:
284
285 <blockquote>
286 <pre>
287  1 bool add_gp_buggy_optimized(int a, int b)
288  2 {
289  3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
290  4   if (!p)
291  5     return -ENOMEM;
292  6   spin_lock(&amp;gp_lock);
293  7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
294  8     spin_unlock(&amp;gp_lock);
295  9     return false;
296 10   }
297 <b>11   gp = p; /* ORDERING BUG */
298 12   p-&gt;a = a;
299 13   p-&gt;b = a;</b>
300 14   spin_unlock(&amp;gp_lock);
301 15   return true;
302 16 }
303 </pre>
304 </blockquote>
305
306 <p>
307 If an RCU reader fetches <tt>gp</tt> just after
308 <tt>add_gp_buggy_optimized</tt> executes line&nbsp;11,
309 it will see garbage in the <tt>-&gt;a</tt> and <tt>-&gt;b</tt>
310 fields.
311 And this is but one of many ways in which compiler and hardware optimizations
312 could cause trouble.
313 Therefore, we clearly need some way to prevent the compiler and the CPU from
314 reordering in this manner, which brings us to the publish-subscribe
315 guarantee discussed in the next section.
316
317 <h3><a name="Publish-Subscribe Guarantee">Publish/Subscribe Guarantee</a></h3>
318
319 <p>
320 RCU's publish-subscribe guarantee allows data to be inserted
321 into a linked data structure without disrupting RCU readers.
322 The updater uses <tt>rcu_assign_pointer()</tt> to insert the
323 new data, and readers use <tt>rcu_dereference()</tt> to
324 access data, whether new or old.
325 The following shows an example of insertion:
326
327 <blockquote>
328 <pre>
329  1 bool add_gp(int a, int b)
330  2 {
331  3   p = kmalloc(sizeof(*p), GFP_KERNEL);
332  4   if (!p)
333  5     return -ENOMEM;
334  6   spin_lock(&amp;gp_lock);
335  7   if (rcu_access_pointer(gp)) {
336  8     spin_unlock(&amp;gp_lock);
337  9     return false;
338 10   }
339 11   p-&gt;a = a;
340 12   p-&gt;b = a;
341 13   rcu_assign_pointer(gp, p);
342 14   spin_unlock(&amp;gp_lock);
343 15   return true;
344 16 }
345 </pre>
346 </blockquote>
347
348 <p>
349 The <tt>rcu_assign_pointer()</tt> on line&nbsp;13 is conceptually
350 equivalent to a simple assignment statement, but also guarantees
351 that its assignment will
352 happen after the two assignments in lines&nbsp;11 and&nbsp;12,
353 similar to the C11 <tt>memory_order_release</tt> store operation.
354 It also prevents any number of &ldquo;interesting&rdquo; compiler
355 optimizations, for example, the use of <tt>gp</tt> as a scratch
356 location immediately preceding the assignment.
357
358 <table>
359 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
360 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
361 <tr><td>
362         But <tt>rcu_assign_pointer()</tt> does nothing to prevent the
363         two assignments to <tt>p-&gt;a</tt> and <tt>p-&gt;b</tt>
364         from being reordered.
365         Can't that also cause problems?
366 </td></tr>
367 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
368 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
369         No, it cannot.
370         The readers cannot see either of these two fields until
371         the assignment to <tt>gp</tt>, by which time both fields are
372         fully initialized.
373         So reordering the assignments
374         to <tt>p-&gt;a</tt> and <tt>p-&gt;b</tt> cannot possibly
375         cause any problems.
376 </font></td></tr>
377 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
378 </table>
379
380 <p>
381 It is tempting to assume that the reader need not do anything special
382 to control its accesses to the RCU-protected data,
383 as shown in <tt>do_something_gp_buggy()</tt> below:
384
385 <blockquote>
386 <pre>
387  1 bool do_something_gp_buggy(void)
388  2 {
389  3   rcu_read_lock();
390  4   p = gp;  /* OPTIMIZATIONS GALORE!!! */
391  5   if (p) {
392  6     do_something(p-&gt;a, p-&gt;b);
393  7     rcu_read_unlock();
394  8     return true;
395  9   }
396 10   rcu_read_unlock();
397 11   return false;
398 12 }
399 </pre>
400 </blockquote>
401
402 <p>
403 However, this temptation must be resisted because there are a
404 surprisingly large number of ways that the compiler
405 (to say nothing of
406 <a href="https://h71000.www7.hp.com/wizard/wiz_2637.html">DEC Alpha CPUs</a>)
407 can trip this code up.
408 For but one example, if the compiler were short of registers, it
409 might choose to refetch from <tt>gp</tt> rather than keeping
410 a separate copy in <tt>p</tt> as follows:
411
412 <blockquote>
413 <pre>
414  1 bool do_something_gp_buggy_optimized(void)
415  2 {
416  3   rcu_read_lock();
417  4   if (gp) { /* OPTIMIZATIONS GALORE!!! */
418 <b> 5     do_something(gp-&gt;a, gp-&gt;b);</b>
419  6     rcu_read_unlock();
420  7     return true;
421  8   }
422  9   rcu_read_unlock();
423 10   return false;
424 11 }
425 </pre>
426 </blockquote>
427
428 <p>
429 If this function ran concurrently with a series of updates that
430 replaced the current structure with a new one,
431 the fetches of <tt>gp-&gt;a</tt>
432 and <tt>gp-&gt;b</tt> might well come from two different structures,
433 which could cause serious confusion.
434 To prevent this (and much else besides), <tt>do_something_gp()</tt> uses
435 <tt>rcu_dereference()</tt> to fetch from <tt>gp</tt>:
436
437 <blockquote>
438 <pre>
439  1 bool do_something_gp(void)
440  2 {
441  3   rcu_read_lock();
442  4   p = rcu_dereference(gp);
443  5   if (p) {
444  6     do_something(p-&gt;a, p-&gt;b);
445  7     rcu_read_unlock();
446  8     return true;
447  9   }
448 10   rcu_read_unlock();
449 11   return false;
450 12 }
451 </pre>
452 </blockquote>
453
454 <p>
455 The <tt>rcu_dereference()</tt> uses volatile casts and (for DEC Alpha)
456 memory barriers in the Linux kernel.
457 Should a
458 <a href="http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU/consume.2015.07.13a.pdf">high-quality implementation of C11 <tt>memory_order_consume</tt> [PDF]</a>
459 ever appear, then <tt>rcu_dereference()</tt> could be implemented
460 as a <tt>memory_order_consume</tt> load.
461 Regardless of the exact implementation, a pointer fetched by
462 <tt>rcu_dereference()</tt> may not be used outside of the
463 outermost RCU read-side critical section containing that
464 <tt>rcu_dereference()</tt>, unless protection of
465 the corresponding data element has been passed from RCU to some
466 other synchronization mechanism, most commonly locking or
467 <a href="https://www.kernel.org/doc/Documentation/RCU/rcuref.txt">reference counting</a>.
468
469 <p>
470 In short, updaters use <tt>rcu_assign_pointer()</tt> and readers
471 use <tt>rcu_dereference()</tt>, and these two RCU API elements
472 work together to ensure that readers have a consistent view of
473 newly added data elements.
474
475 <p>
476 Of course, it is also necessary to remove elements from RCU-protected
477 data structures, for example, using the following process:
478
479 <ol>
480 <li>    Remove the data element from the enclosing structure.
481 <li>    Wait for all pre-existing RCU read-side critical sections
482         to complete (because only pre-existing readers can possibly have
483         a reference to the newly removed data element).
484 <li>    At this point, only the updater has a reference to the
485         newly removed data element, so it can safely reclaim
486         the data element, for example, by passing it to <tt>kfree()</tt>.
487 </ol>
488
489 This process is implemented by <tt>remove_gp_synchronous()</tt>:
490
491 <blockquote>
492 <pre>
493  1 bool remove_gp_synchronous(void)
494  2 {
495  3   struct foo *p;
496  4
497  5   spin_lock(&amp;gp_lock);
498  6   p = rcu_access_pointer(gp);
499  7   if (!p) {
500  8     spin_unlock(&amp;gp_lock);
501  9     return false;
502 10   }
503 11   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
504 12   spin_unlock(&amp;gp_lock);
505 13   synchronize_rcu();
506 14   kfree(p);
507 15   return true;
508 16 }
509 </pre>
510 </blockquote>
511
512 <p>
513 This function is straightforward, with line&nbsp;13 waiting for a grace
514 period before line&nbsp;14 frees the old data element.
515 This waiting ensures that readers will reach line&nbsp;7 of
516 <tt>do_something_gp()</tt> before the data element referenced by
517 <tt>p</tt> is freed.
518 The <tt>rcu_access_pointer()</tt> on line&nbsp;6 is similar to
519 <tt>rcu_dereference()</tt>, except that:
520
521 <ol>
522 <li>    The value returned by <tt>rcu_access_pointer()</tt>
523         cannot be dereferenced.
524         If you want to access the value pointed to as well as
525         the pointer itself, use <tt>rcu_dereference()</tt>
526         instead of <tt>rcu_access_pointer()</tt>.
527 <li>    The call to <tt>rcu_access_pointer()</tt> need not be
528         protected.
529         In contrast, <tt>rcu_dereference()</tt> must either be
530         within an RCU read-side critical section or in a code
531         segment where the pointer cannot change, for example, in
532         code protected by the corresponding update-side lock.
533 </ol>
534
535 <table>
536 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
537 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
538 <tr><td>
539         Without the <tt>rcu_dereference()</tt> or the
540         <tt>rcu_access_pointer()</tt>, what destructive optimizations
541         might the compiler make use of?
542 </td></tr>
543 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
544 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
545         Let's start with what happens to <tt>do_something_gp()</tt>
546         if it fails to use <tt>rcu_dereference()</tt>.
547         It could reuse a value formerly fetched from this same pointer.
548         It could also fetch the pointer from <tt>gp</tt> in a byte-at-a-time
549         manner, resulting in <i>load tearing</i>, in turn resulting a bytewise
550         mash-up of two distinct pointer values.
551         It might even use value-speculation optimizations, where it makes
552         a wrong guess, but by the time it gets around to checking the
553         value, an update has changed the pointer to match the wrong guess.
554         Too bad about any dereferences that returned pre-initialization garbage
555         in the meantime!
556         </font>
557
558         <p><font color="ffffff">
559         For <tt>remove_gp_synchronous()</tt>, as long as all modifications
560         to <tt>gp</tt> are carried out while holding <tt>gp_lock</tt>,
561         the above optimizations are harmless.
562         However, <tt>sparse</tt> will complain if you
563         define <tt>gp</tt> with <tt>__rcu</tt> and then
564         access it without using
565         either <tt>rcu_access_pointer()</tt> or <tt>rcu_dereference()</tt>.
566 </font></td></tr>
567 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
568 </table>
569
570 <p>
571 In short, RCU's publish-subscribe guarantee is provided by the combination
572 of <tt>rcu_assign_pointer()</tt> and <tt>rcu_dereference()</tt>.
573 This guarantee allows data elements to be safely added to RCU-protected
574 linked data structures without disrupting RCU readers.
575 This guarantee can be used in combination with the grace-period
576 guarantee to also allow data elements to be removed from RCU-protected
577 linked data structures, again without disrupting RCU readers.
578
579 <p>
580 This guarantee was only partially premeditated.
581 DYNIX/ptx used an explicit memory barrier for publication, but had nothing
582 resembling <tt>rcu_dereference()</tt> for subscription, nor did it
583 have anything resembling the <tt>smp_read_barrier_depends()</tt>
584 that was later subsumed into <tt>rcu_dereference()</tt>.
585 The need for these operations made itself known quite suddenly at a
586 late-1990s meeting with the DEC Alpha architects, back in the days when
587 DEC was still a free-standing company.
588 It took the Alpha architects a good hour to convince me that any sort
589 of barrier would ever be needed, and it then took me a good <i>two</i> hours
590 to convince them that their documentation did not make this point clear.
591 More recent work with the C and C++ standards committees have provided
592 much education on tricks and traps from the compiler.
593 In short, compilers were much less tricky in the early 1990s, but in
594 2015, don't even think about omitting <tt>rcu_dereference()</tt>!
595
596 <h3><a name="Memory-Barrier Guarantees">Memory-Barrier Guarantees</a></h3>
597
598 <p>
599 The previous section's simple linked-data-structure scenario clearly
600 demonstrates the need for RCU's stringent memory-ordering guarantees on
601 systems with more than one CPU:
602
603 <ol>
604 <li>    Each CPU that has an RCU read-side critical section that
605         begins before <tt>synchronize_rcu()</tt> starts is
606         guaranteed to execute a full memory barrier between the time
607         that the RCU read-side critical section ends and the time that
608         <tt>synchronize_rcu()</tt> returns.
609         Without this guarantee, a pre-existing RCU read-side critical section
610         might hold a reference to the newly removed <tt>struct foo</tt>
611         after the <tt>kfree()</tt> on line&nbsp;14 of
612         <tt>remove_gp_synchronous()</tt>.
613 <li>    Each CPU that has an RCU read-side critical section that ends
614         after <tt>synchronize_rcu()</tt> returns is guaranteed
615         to execute a full memory barrier between the time that
616         <tt>synchronize_rcu()</tt> begins and the time that the RCU
617         read-side critical section begins.
618         Without this guarantee, a later RCU read-side critical section
619         running after the <tt>kfree()</tt> on line&nbsp;14 of
620         <tt>remove_gp_synchronous()</tt> might
621         later run <tt>do_something_gp()</tt> and find the
622         newly deleted <tt>struct foo</tt>.
623 <li>    If the task invoking <tt>synchronize_rcu()</tt> remains
624         on a given CPU, then that CPU is guaranteed to execute a full
625         memory barrier sometime during the execution of
626         <tt>synchronize_rcu()</tt>.
627         This guarantee ensures that the <tt>kfree()</tt> on
628         line&nbsp;14 of <tt>remove_gp_synchronous()</tt> really does
629         execute after the removal on line&nbsp;11.
630 <li>    If the task invoking <tt>synchronize_rcu()</tt> migrates
631         among a group of CPUs during that invocation, then each of the
632         CPUs in that group is guaranteed to execute a full memory barrier
633         sometime during the execution of <tt>synchronize_rcu()</tt>.
634         This guarantee also ensures that the <tt>kfree()</tt> on
635         line&nbsp;14 of <tt>remove_gp_synchronous()</tt> really does
636         execute after the removal on
637         line&nbsp;11, but also in the case where the thread executing the
638         <tt>synchronize_rcu()</tt> migrates in the meantime.
639 </ol>
640
641 <table>
642 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
643 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
644 <tr><td>
645         Given that multiple CPUs can start RCU read-side critical sections
646         at any time without any ordering whatsoever, how can RCU possibly
647         tell whether or not a given RCU read-side critical section starts
648         before a given instance of <tt>synchronize_rcu()</tt>?
649 </td></tr>
650 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
651 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
652         If RCU cannot tell whether or not a given
653         RCU read-side critical section starts before a
654         given instance of <tt>synchronize_rcu()</tt>,
655         then it must assume that the RCU read-side critical section
656         started first.
657         In other words, a given instance of <tt>synchronize_rcu()</tt>
658         can avoid waiting on a given RCU read-side critical section only
659         if it can prove that <tt>synchronize_rcu()</tt> started first.
660         </font>
661
662         <p><font color="ffffff">
663         A related question is &ldquo;When <tt>rcu_read_lock()</tt>
664         doesn't generate any code, why does it matter how it relates
665         to a grace period?&rdquo;
666         The answer is that it is not the relationship of
667         <tt>rcu_read_lock()</tt> itself that is important, but rather
668         the relationship of the code within the enclosed RCU read-side
669         critical section to the code preceding and following the
670         grace period.
671         If we take this viewpoint, then a given RCU read-side critical
672         section begins before a given grace period when some access
673         preceding the grace period observes the effect of some access
674         within the critical section, in which case none of the accesses
675         within the critical section may observe the effects of any
676         access following the grace period.
677         </font>
678
679         <p><font color="ffffff">
680         As of late 2016, mathematical models of RCU take this
681         viewpoint, for example, see slides&nbsp;62 and&nbsp;63
682         of the
683         <a href="http://www2.rdrop.com/users/paulmck/scalability/paper/LinuxMM.2016.10.04c.LCE.pdf">2016 LinuxCon EU</a>
684         presentation.
685 </font></td></tr>
686 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
687 </table>
688
689 <table>
690 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
691 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
692 <tr><td>
693         The first and second guarantees require unbelievably strict ordering!
694         Are all these memory barriers <i> really</i> required?
695 </td></tr>
696 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
697 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
698         Yes, they really are required.
699         To see why the first guarantee is required, consider the following
700         sequence of events:
701         </font>
702
703         <ol>
704         <li>    <font color="ffffff">
705                 CPU 1: <tt>rcu_read_lock()</tt>
706                 </font>
707         <li>    <font color="ffffff">
708                 CPU 1: <tt>q = rcu_dereference(gp);
709                 /* Very likely to return p. */</tt>
710                 </font>
711         <li>    <font color="ffffff">
712                 CPU 0: <tt>list_del_rcu(p);</tt>
713                 </font>
714         <li>    <font color="ffffff">
715                 CPU 0: <tt>synchronize_rcu()</tt> starts.
716                 </font>
717         <li>    <font color="ffffff">
718                 CPU 1: <tt>do_something_with(q-&gt;a);
719                 /* No smp_mb(), so might happen after kfree(). */</tt>
720                 </font>
721         <li>    <font color="ffffff">
722                 CPU 1: <tt>rcu_read_unlock()</tt>
723                 </font>
724         <li>    <font color="ffffff">
725                 CPU 0: <tt>synchronize_rcu()</tt> returns.
726                 </font>
727         <li>    <font color="ffffff">
728                 CPU 0: <tt>kfree(p);</tt>
729                 </font>
730         </ol>
731
732         <p><font color="ffffff">
733         Therefore, there absolutely must be a full memory barrier between the
734         end of the RCU read-side critical section and the end of the
735         grace period.
736         </font>
737
738         <p><font color="ffffff">
739         The sequence of events demonstrating the necessity of the second rule
740         is roughly similar:
741         </font>
742
743         <ol>
744         <li>    <font color="ffffff">CPU 0: <tt>list_del_rcu(p);</tt>
745                 </font>
746         <li>    <font color="ffffff">CPU 0: <tt>synchronize_rcu()</tt> starts.
747                 </font>
748         <li>    <font color="ffffff">CPU 1: <tt>rcu_read_lock()</tt>
749                 </font>
750         <li>    <font color="ffffff">CPU 1: <tt>q = rcu_dereference(gp);
751                 /* Might return p if no memory barrier. */</tt>
752                 </font>
753         <li>    <font color="ffffff">CPU 0: <tt>synchronize_rcu()</tt> returns.
754                 </font>
755         <li>    <font color="ffffff">CPU 0: <tt>kfree(p);</tt>
756                 </font>
757         <li>    <font color="ffffff">
758                 CPU 1: <tt>do_something_with(q-&gt;a); /* Boom!!! */</tt>
759                 </font>
760         <li>    <font color="ffffff">CPU 1: <tt>rcu_read_unlock()</tt>
761                 </font>
762         </ol>
763
764         <p><font color="ffffff">
765         And similarly, without a memory barrier between the beginning of the
766         grace period and the beginning of the RCU read-side critical section,
767         CPU&nbsp;1 might end up accessing the freelist.
768         </font>
769
770         <p><font color="ffffff">
771         The &ldquo;as if&rdquo; rule of course applies, so that any
772         implementation that acts as if the appropriate memory barriers
773         were in place is a correct implementation.
774         That said, it is much easier to fool yourself into believing
775         that you have adhered to the as-if rule than it is to actually
776         adhere to it!
777 </font></td></tr>
778 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
779 </table>
780
781 <table>
782 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
783 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
784 <tr><td>
785         You claim that <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>
786         generate absolutely no code in some kernel builds.
787         This means that the compiler might arbitrarily rearrange consecutive
788         RCU read-side critical sections.
789         Given such rearrangement, if a given RCU read-side critical section
790         is done, how can you be sure that all prior RCU read-side critical
791         sections are done?
792         Won't the compiler rearrangements make that impossible to determine?
793 </td></tr>
794 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
795 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
796         In cases where <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>
797         generate absolutely no code, RCU infers quiescent states only at
798         special locations, for example, within the scheduler.
799         Because calls to <tt>schedule()</tt> had better prevent calling-code
800         accesses to shared variables from being rearranged across the call to
801         <tt>schedule()</tt>, if RCU detects the end of a given RCU read-side
802         critical section, it will necessarily detect the end of all prior
803         RCU read-side critical sections, no matter how aggressively the
804         compiler scrambles the code.
805         </font>
806
807         <p><font color="ffffff">
808         Again, this all assumes that the compiler cannot scramble code across
809         calls to the scheduler, out of interrupt handlers, into the idle loop,
810         into user-mode code, and so on.
811         But if your kernel build allows that sort of scrambling, you have broken
812         far more than just RCU!
813 </font></td></tr>
814 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
815 </table>
816
817 <p>
818 Note that these memory-barrier requirements do not replace the fundamental
819 RCU requirement that a grace period wait for all pre-existing readers.
820 On the contrary, the memory barriers called out in this section must operate in
821 such a way as to <i>enforce</i> this fundamental requirement.
822 Of course, different implementations enforce this requirement in different
823 ways, but enforce it they must.
824
825 <h3><a name="RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally">RCU Primitives Guaranteed to Execute Unconditionally</a></h3>
826
827 <p>
828 The common-case RCU primitives are unconditional.
829 They are invoked, they do their job, and they return, with no possibility
830 of error, and no need to retry.
831 This is a key RCU design philosophy.
832
833 <p>
834 However, this philosophy is pragmatic rather than pigheaded.
835 If someone comes up with a good justification for a particular conditional
836 RCU primitive, it might well be implemented and added.
837 After all, this guarantee was reverse-engineered, not premeditated.
838 The unconditional nature of the RCU primitives was initially an
839 accident of implementation, and later experience with synchronization
840 primitives with conditional primitives caused me to elevate this
841 accident to a guarantee.
842 Therefore, the justification for adding a conditional primitive to
843 RCU would need to be based on detailed and compelling use cases.
844
845 <h3><a name="Guaranteed Read-to-Write Upgrade">Guaranteed Read-to-Write Upgrade</a></h3>
846
847 <p>
848 As far as RCU is concerned, it is always possible to carry out an
849 update within an RCU read-side critical section.
850 For example, that RCU read-side critical section might search for
851 a given data element, and then might acquire the update-side
852 spinlock in order to update that element, all while remaining
853 in that RCU read-side critical section.
854 Of course, it is necessary to exit the RCU read-side critical section
855 before invoking <tt>synchronize_rcu()</tt>, however, this
856 inconvenience can be avoided through use of the
857 <tt>call_rcu()</tt> and <tt>kfree_rcu()</tt> API members
858 described later in this document.
859
860 <table>
861 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
862 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
863 <tr><td>
864         But how does the upgrade-to-write operation exclude other readers?
865 </td></tr>
866 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
867 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
868         It doesn't, just like normal RCU updates, which also do not exclude
869         RCU readers.
870 </font></td></tr>
871 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
872 </table>
873
874 <p>
875 This guarantee allows lookup code to be shared between read-side
876 and update-side code, and was premeditated, appearing in the earliest
877 DYNIX/ptx RCU documentation.
878
879 <h2><a name="Fundamental Non-Requirements">Fundamental Non-Requirements</a></h2>
880
881 <p>
882 RCU provides extremely lightweight readers, and its read-side guarantees,
883 though quite useful, are correspondingly lightweight.
884 It is therefore all too easy to assume that RCU is guaranteeing more
885 than it really is.
886 Of course, the list of things that RCU does not guarantee is infinitely
887 long, however, the following sections list a few non-guarantees that
888 have caused confusion.
889 Except where otherwise noted, these non-guarantees were premeditated.
890
891 <ol>
892 <li>    <a href="#Readers Impose Minimal Ordering">
893         Readers Impose Minimal Ordering</a>
894 <li>    <a href="#Readers Do Not Exclude Updaters">
895         Readers Do Not Exclude Updaters</a>
896 <li>    <a href="#Updaters Only Wait For Old Readers">
897         Updaters Only Wait For Old Readers</a>
898 <li>    <a href="#Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections">
899         Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections</a>
900 <li>    <a href="#Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods">
901         Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods</a>
902 <li>    <a href="#Disabling Preemption Does Not Block Grace Periods">
903         Disabling Preemption Does Not Block Grace Periods</a>
904 </ol>
905
906 <h3><a name="Readers Impose Minimal Ordering">Readers Impose Minimal Ordering</a></h3>
907
908 <p>
909 Reader-side markers such as <tt>rcu_read_lock()</tt> and
910 <tt>rcu_read_unlock()</tt> provide absolutely no ordering guarantees
911 except through their interaction with the grace-period APIs such as
912 <tt>synchronize_rcu()</tt>.
913 To see this, consider the following pair of threads:
914
915 <blockquote>
916 <pre>
917  1 void thread0(void)
918  2 {
919  3   rcu_read_lock();
920  4   WRITE_ONCE(x, 1);
921  5   rcu_read_unlock();
922  6   rcu_read_lock();
923  7   WRITE_ONCE(y, 1);
924  8   rcu_read_unlock();
925  9 }
926 10
927 11 void thread1(void)
928 12 {
929 13   rcu_read_lock();
930 14   r1 = READ_ONCE(y);
931 15   rcu_read_unlock();
932 16   rcu_read_lock();
933 17   r2 = READ_ONCE(x);
934 18   rcu_read_unlock();
935 19 }
936 </pre>
937 </blockquote>
938
939 <p>
940 After <tt>thread0()</tt> and <tt>thread1()</tt> execute
941 concurrently, it is quite possible to have
942
943 <blockquote>
944 <pre>
945 (r1 == 1 &amp;&amp; r2 == 0)
946 </pre>
947 </blockquote>
948
949 (that is, <tt>y</tt> appears to have been assigned before <tt>x</tt>),
950 which would not be possible if <tt>rcu_read_lock()</tt> and
951 <tt>rcu_read_unlock()</tt> had much in the way of ordering
952 properties.
953 But they do not, so the CPU is within its rights
954 to do significant reordering.
955 This is by design:  Any significant ordering constraints would slow down
956 these fast-path APIs.
957
958 <table>
959 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
960 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
961 <tr><td>
962         Can't the compiler also reorder this code?
963 </td></tr>
964 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
965 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
966         No, the volatile casts in <tt>READ_ONCE()</tt> and
967         <tt>WRITE_ONCE()</tt> prevent the compiler from reordering in
968         this particular case.
969 </font></td></tr>
970 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
971 </table>
972
973 <h3><a name="Readers Do Not Exclude Updaters">Readers Do Not Exclude Updaters</a></h3>
974
975 <p>
976 Neither <tt>rcu_read_lock()</tt> nor <tt>rcu_read_unlock()</tt>
977 exclude updates.
978 All they do is to prevent grace periods from ending.
979 The following example illustrates this:
980
981 <blockquote>
982 <pre>
983  1 void thread0(void)
984  2 {
985  3   rcu_read_lock();
986  4   r1 = READ_ONCE(y);
987  5   if (r1) {
988  6     do_something_with_nonzero_x();
989  7     r2 = READ_ONCE(x);
990  8     WARN_ON(!r2); /* BUG!!! */
991  9   }
992 10   rcu_read_unlock();
993 11 }
994 12
995 13 void thread1(void)
996 14 {
997 15   spin_lock(&amp;my_lock);
998 16   WRITE_ONCE(x, 1);
999 17   WRITE_ONCE(y, 1);
1000 18   spin_unlock(&amp;my_lock);
1001 19 }
1002 </pre>
1003 </blockquote>
1004
1005 <p>
1006 If the <tt>thread0()</tt> function's <tt>rcu_read_lock()</tt>
1007 excluded the <tt>thread1()</tt> function's update,
1008 the <tt>WARN_ON()</tt> could never fire.
1009 But the fact is that <tt>rcu_read_lock()</tt> does not exclude
1010 much of anything aside from subsequent grace periods, of which
1011 <tt>thread1()</tt> has none, so the
1012 <tt>WARN_ON()</tt> can and does fire.
1013
1014 <h3><a name="Updaters Only Wait For Old Readers">Updaters Only Wait For Old Readers</a></h3>
1015
1016 <p>
1017 It might be tempting to assume that after <tt>synchronize_rcu()</tt>
1018 completes, there are no readers executing.
1019 This temptation must be avoided because
1020 new readers can start immediately after <tt>synchronize_rcu()</tt>
1021 starts, and <tt>synchronize_rcu()</tt> is under no
1022 obligation to wait for these new readers.
1023
1024 <table>
1025 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1026 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1027 <tr><td>
1028         Suppose that synchronize_rcu() did wait until <i>all</i>
1029         readers had completed instead of waiting only on
1030         pre-existing readers.
1031         For how long would the updater be able to rely on there
1032         being no readers?
1033 </td></tr>
1034 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1035 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1036         For no time at all.
1037         Even if <tt>synchronize_rcu()</tt> were to wait until
1038         all readers had completed, a new reader might start immediately after
1039         <tt>synchronize_rcu()</tt> completed.
1040         Therefore, the code following
1041         <tt>synchronize_rcu()</tt> can <i>never</i> rely on there being
1042         no readers.
1043 </font></td></tr>
1044 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1045 </table>
1046
1047 <h3><a name="Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections">
1048 Grace Periods Don't Partition Read-Side Critical Sections</a></h3>
1049
1050 <p>
1051 It is tempting to assume that if any part of one RCU read-side critical
1052 section precedes a given grace period, and if any part of another RCU
1053 read-side critical section follows that same grace period, then all of
1054 the first RCU read-side critical section must precede all of the second.
1055 However, this just isn't the case: A single grace period does not
1056 partition the set of RCU read-side critical sections.
1057 An example of this situation can be illustrated as follows, where
1058 <tt>x</tt>, <tt>y</tt>, and <tt>z</tt> are initially all zero:
1059
1060 <blockquote>
1061 <pre>
1062  1 void thread0(void)
1063  2 {
1064  3   rcu_read_lock();
1065  4   WRITE_ONCE(a, 1);
1066  5   WRITE_ONCE(b, 1);
1067  6   rcu_read_unlock();
1068  7 }
1069  8
1070  9 void thread1(void)
1071 10 {
1072 11   r1 = READ_ONCE(a);
1073 12   synchronize_rcu();
1074 13   WRITE_ONCE(c, 1);
1075 14 }
1076 15
1077 16 void thread2(void)
1078 17 {
1079 18   rcu_read_lock();
1080 19   r2 = READ_ONCE(b);
1081 20   r3 = READ_ONCE(c);
1082 21   rcu_read_unlock();
1083 22 }
1084 </pre>
1085 </blockquote>
1086
1087 <p>
1088 It turns out that the outcome:
1089
1090 <blockquote>
1091 <pre>
1092 (r1 == 1 &amp;&amp; r2 == 0 &amp;&amp; r3 == 1)
1093 </pre>
1094 </blockquote>
1095
1096 is entirely possible.
1097 The following figure show how this can happen, with each circled
1098 <tt>QS</tt> indicating the point at which RCU recorded a
1099 <i>quiescent state</i> for each thread, that is, a state in which
1100 RCU knows that the thread cannot be in the midst of an RCU read-side
1101 critical section that started before the current grace period:
1102
1103 <p><img src="GPpartitionReaders1.svg" alt="GPpartitionReaders1.svg" width="60%"></p>
1104
1105 <p>
1106 If it is necessary to partition RCU read-side critical sections in this
1107 manner, it is necessary to use two grace periods, where the first
1108 grace period is known to end before the second grace period starts:
1109
1110 <blockquote>
1111 <pre>
1112  1 void thread0(void)
1113  2 {
1114  3   rcu_read_lock();
1115  4   WRITE_ONCE(a, 1);
1116  5   WRITE_ONCE(b, 1);
1117  6   rcu_read_unlock();
1118  7 }
1119  8
1120  9 void thread1(void)
1121 10 {
1122 11   r1 = READ_ONCE(a);
1123 12   synchronize_rcu();
1124 13   WRITE_ONCE(c, 1);
1125 14 }
1126 15
1127 16 void thread2(void)
1128 17 {
1129 18   r2 = READ_ONCE(c);
1130 19   synchronize_rcu();
1131 20   WRITE_ONCE(d, 1);
1132 21 }
1133 22
1134 23 void thread3(void)
1135 24 {
1136 25   rcu_read_lock();
1137 26   r3 = READ_ONCE(b);
1138 27   r4 = READ_ONCE(d);
1139 28   rcu_read_unlock();
1140 29 }
1141 </pre>
1142 </blockquote>
1143
1144 <p>
1145 Here, if <tt>(r1 == 1)</tt>, then
1146 <tt>thread0()</tt>'s write to <tt>b</tt> must happen
1147 before the end of <tt>thread1()</tt>'s grace period.
1148 If in addition <tt>(r4 == 1)</tt>, then
1149 <tt>thread3()</tt>'s read from <tt>b</tt> must happen
1150 after the beginning of <tt>thread2()</tt>'s grace period.
1151 If it is also the case that <tt>(r2 == 1)</tt>, then the
1152 end of <tt>thread1()</tt>'s grace period must precede the
1153 beginning of <tt>thread2()</tt>'s grace period.
1154 This mean that the two RCU read-side critical sections cannot overlap,
1155 guaranteeing that <tt>(r3 == 1)</tt>.
1156 As a result, the outcome:
1157
1158 <blockquote>
1159 <pre>
1160 (r1 == 1 &amp;&amp; r2 == 1 &amp;&amp; r3 == 0 &amp;&amp; r4 == 1)
1161 </pre>
1162 </blockquote>
1163
1164 cannot happen.
1165
1166 <p>
1167 This non-requirement was also non-premeditated, but became apparent
1168 when studying RCU's interaction with memory ordering.
1169
1170 <h3><a name="Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods">
1171 Read-Side Critical Sections Don't Partition Grace Periods</a></h3>
1172
1173 <p>
1174 It is also tempting to assume that if an RCU read-side critical section
1175 happens between a pair of grace periods, then those grace periods cannot
1176 overlap.
1177 However, this temptation leads nowhere good, as can be illustrated by
1178 the following, with all variables initially zero:
1179
1180 <blockquote>
1181 <pre>
1182  1 void thread0(void)
1183  2 {
1184  3   rcu_read_lock();
1185  4   WRITE_ONCE(a, 1);
1186  5   WRITE_ONCE(b, 1);
1187  6   rcu_read_unlock();
1188  7 }
1189  8
1190  9 void thread1(void)
1191 10 {
1192 11   r1 = READ_ONCE(a);
1193 12   synchronize_rcu();
1194 13   WRITE_ONCE(c, 1);
1195 14 }
1196 15
1197 16 void thread2(void)
1198 17 {
1199 18   rcu_read_lock();
1200 19   WRITE_ONCE(d, 1);
1201 20   r2 = READ_ONCE(c);
1202 21   rcu_read_unlock();
1203 22 }
1204 23
1205 24 void thread3(void)
1206 25 {
1207 26   r3 = READ_ONCE(d);
1208 27   synchronize_rcu();
1209 28   WRITE_ONCE(e, 1);
1210 29 }
1211 30
1212 31 void thread4(void)
1213 32 {
1214 33   rcu_read_lock();
1215 34   r4 = READ_ONCE(b);
1216 35   r5 = READ_ONCE(e);
1217 36   rcu_read_unlock();
1218 37 }
1219 </pre>
1220 </blockquote>
1221
1222 <p>
1223 In this case, the outcome:
1224
1225 <blockquote>
1226 <pre>
1227 (r1 == 1 &amp;&amp; r2 == 1 &amp;&amp; r3 == 1 &amp;&amp; r4 == 0 &amp&amp; r5 == 1)
1228 </pre>
1229 </blockquote>
1230
1231 is entirely possible, as illustrated below:
1232
1233 <p><img src="ReadersPartitionGP1.svg" alt="ReadersPartitionGP1.svg" width="100%"></p>
1234
1235 <p>
1236 Again, an RCU read-side critical section can overlap almost all of a
1237 given grace period, just so long as it does not overlap the entire
1238 grace period.
1239 As a result, an RCU read-side critical section cannot partition a pair
1240 of RCU grace periods.
1241
1242 <table>
1243 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1244 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1245 <tr><td>
1246         How long a sequence of grace periods, each separated by an RCU
1247         read-side critical section, would be required to partition the RCU
1248         read-side critical sections at the beginning and end of the chain?
1249 </td></tr>
1250 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1251 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1252         In theory, an infinite number.
1253         In practice, an unknown number that is sensitive to both implementation
1254         details and timing considerations.
1255         Therefore, even in practice, RCU users must abide by the
1256         theoretical rather than the practical answer.
1257 </font></td></tr>
1258 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1259 </table>
1260
1261 <h3><a name="Disabling Preemption Does Not Block Grace Periods">
1262 Disabling Preemption Does Not Block Grace Periods</a></h3>
1263
1264 <p>
1265 There was a time when disabling preemption on any given CPU would block
1266 subsequent grace periods.
1267 However, this was an accident of implementation and is not a requirement.
1268 And in the current Linux-kernel implementation, disabling preemption
1269 on a given CPU in fact does not block grace periods, as Oleg Nesterov
1270 <a href="https://lkml.kernel.org/g/20150614193825.GA19582@redhat.com">demonstrated</a>.
1271
1272 <p>
1273 If you need a preempt-disable region to block grace periods, you need to add
1274 <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>, for example
1275 as follows:
1276
1277 <blockquote>
1278 <pre>
1279  1 preempt_disable();
1280  2 rcu_read_lock();
1281  3 do_something();
1282  4 rcu_read_unlock();
1283  5 preempt_enable();
1284  6
1285  7 /* Spinlocks implicitly disable preemption. */
1286  8 spin_lock(&amp;mylock);
1287  9 rcu_read_lock();
1288 10 do_something();
1289 11 rcu_read_unlock();
1290 12 spin_unlock(&amp;mylock);
1291 </pre>
1292 </blockquote>
1293
1294 <p>
1295 In theory, you could enter the RCU read-side critical section first,
1296 but it is more efficient to keep the entire RCU read-side critical
1297 section contained in the preempt-disable region as shown above.
1298 Of course, RCU read-side critical sections that extend outside of
1299 preempt-disable regions will work correctly, but such critical sections
1300 can be preempted, which forces <tt>rcu_read_unlock()</tt> to do
1301 more work.
1302 And no, this is <i>not</i> an invitation to enclose all of your RCU
1303 read-side critical sections within preempt-disable regions, because
1304 doing so would degrade real-time response.
1305
1306 <p>
1307 This non-requirement appeared with preemptible RCU.
1308 If you need a grace period that waits on non-preemptible code regions, use
1309 <a href="#Sched Flavor">RCU-sched</a>.
1310
1311 <h2><a name="Parallelism Facts of Life">Parallelism Facts of Life</a></h2>
1312
1313 <p>
1314 These parallelism facts of life are by no means specific to RCU, but
1315 the RCU implementation must abide by them.
1316 They therefore bear repeating:
1317
1318 <ol>
1319 <li>    Any CPU or task may be delayed at any time,
1320         and any attempts to avoid these delays by disabling
1321         preemption, interrupts, or whatever are completely futile.
1322         This is most obvious in preemptible user-level
1323         environments and in virtualized environments (where
1324         a given guest OS's VCPUs can be preempted at any time by
1325         the underlying hypervisor), but can also happen in bare-metal
1326         environments due to ECC errors, NMIs, and other hardware
1327         events.
1328         Although a delay of more than about 20 seconds can result
1329         in splats, the RCU implementation is obligated to use
1330         algorithms that can tolerate extremely long delays, but where
1331         &ldquo;extremely long&rdquo; is not long enough to allow
1332         wrap-around when incrementing a 64-bit counter.
1333 <li>    Both the compiler and the CPU can reorder memory accesses.
1334         Where it matters, RCU must use compiler directives and
1335         memory-barrier instructions to preserve ordering.
1336 <li>    Conflicting writes to memory locations in any given cache line
1337         will result in expensive cache misses.
1338         Greater numbers of concurrent writes and more-frequent
1339         concurrent writes will result in more dramatic slowdowns.
1340         RCU is therefore obligated to use algorithms that have
1341         sufficient locality to avoid significant performance and
1342         scalability problems.
1343 <li>    As a rough rule of thumb, only one CPU's worth of processing
1344         may be carried out under the protection of any given exclusive
1345         lock.
1346         RCU must therefore use scalable locking designs.
1347 <li>    Counters are finite, especially on 32-bit systems.
1348         RCU's use of counters must therefore tolerate counter wrap,
1349         or be designed such that counter wrap would take way more
1350         time than a single system is likely to run.
1351         An uptime of ten years is quite possible, a runtime
1352         of a century much less so.
1353         As an example of the latter, RCU's dyntick-idle nesting counter
1354         allows 54 bits for interrupt nesting level (this counter
1355         is 64 bits even on a 32-bit system).
1356         Overflowing this counter requires 2<sup>54</sup>
1357         half-interrupts on a given CPU without that CPU ever going idle.
1358         If a half-interrupt happened every microsecond, it would take
1359         570 years of runtime to overflow this counter, which is currently
1360         believed to be an acceptably long time.
1361 <li>    Linux systems can have thousands of CPUs running a single
1362         Linux kernel in a single shared-memory environment.
1363         RCU must therefore pay close attention to high-end scalability.
1364 </ol>
1365
1366 <p>
1367 This last parallelism fact of life means that RCU must pay special
1368 attention to the preceding facts of life.
1369 The idea that Linux might scale to systems with thousands of CPUs would
1370 have been met with some skepticism in the 1990s, but these requirements
1371 would have otherwise have been unsurprising, even in the early 1990s.
1372
1373 <h2><a name="Quality-of-Implementation Requirements">Quality-of-Implementation Requirements</a></h2>
1374
1375 <p>
1376 These sections list quality-of-implementation requirements.
1377 Although an RCU implementation that ignores these requirements could
1378 still be used, it would likely be subject to limitations that would
1379 make it inappropriate for industrial-strength production use.
1380 Classes of quality-of-implementation requirements are as follows:
1381
1382 <ol>
1383 <li>    <a href="#Specialization">Specialization</a>
1384 <li>    <a href="#Performance and Scalability">Performance and Scalability</a>
1385 <li>    <a href="#Composability">Composability</a>
1386 <li>    <a href="#Corner Cases">Corner Cases</a>
1387 </ol>
1388
1389 <p>
1390 These classes is covered in the following sections.
1391
1392 <h3><a name="Specialization">Specialization</a></h3>
1393
1394 <p>
1395 RCU is and always has been intended primarily for read-mostly situations,
1396 which means that RCU's read-side primitives are optimized, often at the
1397 expense of its update-side primitives.
1398 Experience thus far is captured by the following list of situations:
1399
1400 <ol>
1401 <li>    Read-mostly data, where stale and inconsistent data is not
1402         a problem:   RCU works great!
1403 <li>    Read-mostly data, where data must be consistent:
1404         RCU works well.
1405 <li>    Read-write data, where data must be consistent:
1406         RCU <i>might</i> work OK.
1407         Or not.
1408 <li>    Write-mostly data, where data must be consistent:
1409         RCU is very unlikely to be the right tool for the job,
1410         with the following exceptions, where RCU can provide:
1411         <ol type=a>
1412         <li>    Existence guarantees for update-friendly mechanisms.
1413         <li>    Wait-free read-side primitives for real-time use.
1414         </ol>
1415 </ol>
1416
1417 <p>
1418 This focus on read-mostly situations means that RCU must interoperate
1419 with other synchronization primitives.
1420 For example, the <tt>add_gp()</tt> and <tt>remove_gp_synchronous()</tt>
1421 examples discussed earlier use RCU to protect readers and locking to
1422 coordinate updaters.
1423 However, the need extends much farther, requiring that a variety of
1424 synchronization primitives be legal within RCU read-side critical sections,
1425 including spinlocks, sequence locks, atomic operations, reference
1426 counters, and memory barriers.
1427
1428 <table>
1429 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1430 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1431 <tr><td>
1432         What about sleeping locks?
1433 </td></tr>
1434 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1435 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1436         These are forbidden within Linux-kernel RCU read-side critical
1437         sections because it is not legal to place a quiescent state
1438         (in this case, voluntary context switch) within an RCU read-side
1439         critical section.
1440         However, sleeping locks may be used within userspace RCU read-side
1441         critical sections, and also within Linux-kernel sleepable RCU
1442         <a href="#Sleepable RCU"><font color="ffffff">(SRCU)</font></a>
1443         read-side critical sections.
1444         In addition, the -rt patchset turns spinlocks into a
1445         sleeping locks so that the corresponding critical sections
1446         can be preempted, which also means that these sleeplockified
1447         spinlocks (but not other sleeping locks!)  may be acquire within
1448         -rt-Linux-kernel RCU read-side critical sections.
1449         </font>
1450
1451         <p><font color="ffffff">
1452         Note that it <i>is</i> legal for a normal RCU read-side
1453         critical section to conditionally acquire a sleeping locks
1454         (as in <tt>mutex_trylock()</tt>), but only as long as it does
1455         not loop indefinitely attempting to conditionally acquire that
1456         sleeping locks.
1457         The key point is that things like <tt>mutex_trylock()</tt>
1458         either return with the mutex held, or return an error indication if
1459         the mutex was not immediately available.
1460         Either way, <tt>mutex_trylock()</tt> returns immediately without
1461         sleeping.
1462 </font></td></tr>
1463 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1464 </table>
1465
1466 <p>
1467 It often comes as a surprise that many algorithms do not require a
1468 consistent view of data, but many can function in that mode,
1469 with network routing being the poster child.
1470 Internet routing algorithms take significant time to propagate
1471 updates, so that by the time an update arrives at a given system,
1472 that system has been sending network traffic the wrong way for
1473 a considerable length of time.
1474 Having a few threads continue to send traffic the wrong way for a
1475 few more milliseconds is clearly not a problem:  In the worst case,
1476 TCP retransmissions will eventually get the data where it needs to go.
1477 In general, when tracking the state of the universe outside of the
1478 computer, some level of inconsistency must be tolerated due to
1479 speed-of-light delays if nothing else.
1480
1481 <p>
1482 Furthermore, uncertainty about external state is inherent in many cases.
1483 For example, a pair of veterinarians might use heartbeat to determine
1484 whether or not a given cat was alive.
1485 But how long should they wait after the last heartbeat to decide that
1486 the cat is in fact dead?
1487 Waiting less than 400 milliseconds makes no sense because this would
1488 mean that a relaxed cat would be considered to cycle between death
1489 and life more than 100 times per minute.
1490 Moreover, just as with human beings, a cat's heart might stop for
1491 some period of time, so the exact wait period is a judgment call.
1492 One of our pair of veterinarians might wait 30 seconds before pronouncing
1493 the cat dead, while the other might insist on waiting a full minute.
1494 The two veterinarians would then disagree on the state of the cat during
1495 the final 30 seconds of the minute following the last heartbeat.
1496
1497 <p>
1498 Interestingly enough, this same situation applies to hardware.
1499 When push comes to shove, how do we tell whether or not some
1500 external server has failed?
1501 We send messages to it periodically, and declare it failed if we
1502 don't receive a response within a given period of time.
1503 Policy decisions can usually tolerate short
1504 periods of inconsistency.
1505 The policy was decided some time ago, and is only now being put into
1506 effect, so a few milliseconds of delay is normally inconsequential.
1507
1508 <p>
1509 However, there are algorithms that absolutely must see consistent data.
1510 For example, the translation between a user-level SystemV semaphore
1511 ID to the corresponding in-kernel data structure is protected by RCU,
1512 but it is absolutely forbidden to update a semaphore that has just been
1513 removed.
1514 In the Linux kernel, this need for consistency is accommodated by acquiring
1515 spinlocks located in the in-kernel data structure from within
1516 the RCU read-side critical section, and this is indicated by the
1517 green box in the figure above.
1518 Many other techniques may be used, and are in fact used within the
1519 Linux kernel.
1520
1521 <p>
1522 In short, RCU is not required to maintain consistency, and other
1523 mechanisms may be used in concert with RCU when consistency is required.
1524 RCU's specialization allows it to do its job extremely well, and its
1525 ability to interoperate with other synchronization mechanisms allows
1526 the right mix of synchronization tools to be used for a given job.
1527
1528 <h3><a name="Performance and Scalability">Performance and Scalability</a></h3>
1529
1530 <p>
1531 Energy efficiency is a critical component of performance today,
1532 and Linux-kernel RCU implementations must therefore avoid unnecessarily
1533 awakening idle CPUs.
1534 I cannot claim that this requirement was premeditated.
1535 In fact, I learned of it during a telephone conversation in which I
1536 was given &ldquo;frank and open&rdquo; feedback on the importance
1537 of energy efficiency in battery-powered systems and on specific
1538 energy-efficiency shortcomings of the Linux-kernel RCU implementation.
1539 In my experience, the battery-powered embedded community will consider
1540 any unnecessary wakeups to be extremely unfriendly acts.
1541 So much so that mere Linux-kernel-mailing-list posts are
1542 insufficient to vent their ire.
1543
1544 <p>
1545 Memory consumption is not particularly important for in most
1546 situations, and has become decreasingly
1547 so as memory sizes have expanded and memory
1548 costs have plummeted.
1549 However, as I learned from Matt Mackall's
1550 <a href="http://elinux.org/Linux_Tiny-FAQ">bloatwatch</a>
1551 efforts, memory footprint is critically important on single-CPU systems with
1552 non-preemptible (<tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>) kernels, and thus
1553 <a href="https://lkml.kernel.org/g/20090113221724.GA15307@linux.vnet.ibm.com">tiny RCU</a>
1554 was born.
1555 Josh Triplett has since taken over the small-memory banner with his
1556 <a href="https://tiny.wiki.kernel.org/">Linux kernel tinification</a>
1557 project, which resulted in
1558 <a href="#Sleepable RCU">SRCU</a>
1559 becoming optional for those kernels not needing it.
1560
1561 <p>
1562 The remaining performance requirements are, for the most part,
1563 unsurprising.
1564 For example, in keeping with RCU's read-side specialization,
1565 <tt>rcu_dereference()</tt> should have negligible overhead (for
1566 example, suppression of a few minor compiler optimizations).
1567 Similarly, in non-preemptible environments, <tt>rcu_read_lock()</tt> and
1568 <tt>rcu_read_unlock()</tt> should have exactly zero overhead.
1569
1570 <p>
1571 In preemptible environments, in the case where the RCU read-side
1572 critical section was not preempted (as will be the case for the
1573 highest-priority real-time process), <tt>rcu_read_lock()</tt> and
1574 <tt>rcu_read_unlock()</tt> should have minimal overhead.
1575 In particular, they should not contain atomic read-modify-write
1576 operations, memory-barrier instructions, preemption disabling,
1577 interrupt disabling, or backwards branches.
1578 However, in the case where the RCU read-side critical section was preempted,
1579 <tt>rcu_read_unlock()</tt> may acquire spinlocks and disable interrupts.
1580 This is why it is better to nest an RCU read-side critical section
1581 within a preempt-disable region than vice versa, at least in cases
1582 where that critical section is short enough to avoid unduly degrading
1583 real-time latencies.
1584
1585 <p>
1586 The <tt>synchronize_rcu()</tt> grace-period-wait primitive is
1587 optimized for throughput.
1588 It may therefore incur several milliseconds of latency in addition to
1589 the duration of the longest RCU read-side critical section.
1590 On the other hand, multiple concurrent invocations of
1591 <tt>synchronize_rcu()</tt> are required to use batching optimizations
1592 so that they can be satisfied by a single underlying grace-period-wait
1593 operation.
1594 For example, in the Linux kernel, it is not unusual for a single
1595 grace-period-wait operation to serve more than
1596 <a href="https://www.usenix.org/conference/2004-usenix-annual-technical-conference/making-rcu-safe-deep-sub-millisecond-response">1,000 separate invocations</a>
1597 of <tt>synchronize_rcu()</tt>, thus amortizing the per-invocation
1598 overhead down to nearly zero.
1599 However, the grace-period optimization is also required to avoid
1600 measurable degradation of real-time scheduling and interrupt latencies.
1601
1602 <p>
1603 In some cases, the multi-millisecond <tt>synchronize_rcu()</tt>
1604 latencies are unacceptable.
1605 In these cases, <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> may be used
1606 instead, reducing the grace-period latency down to a few tens of
1607 microseconds on small systems, at least in cases where the RCU read-side
1608 critical sections are short.
1609 There are currently no special latency requirements for
1610 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> on large systems, but,
1611 consistent with the empirical nature of the RCU specification,
1612 that is subject to change.
1613 However, there most definitely are scalability requirements:
1614 A storm of <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> invocations on 4096
1615 CPUs should at least make reasonable forward progress.
1616 In return for its shorter latencies, <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>
1617 is permitted to impose modest degradation of real-time latency
1618 on non-idle online CPUs.
1619 Here, &ldquo;modest&rdquo; means roughly the same latency
1620 degradation as a scheduling-clock interrupt.
1621
1622 <p>
1623 There are a number of situations where even
1624 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>'s reduced grace-period
1625 latency is unacceptable.
1626 In these situations, the asynchronous <tt>call_rcu()</tt> can be
1627 used in place of <tt>synchronize_rcu()</tt> as follows:
1628
1629 <blockquote>
1630 <pre>
1631  1 struct foo {
1632  2   int a;
1633  3   int b;
1634  4   struct rcu_head rh;
1635  5 };
1636  6
1637  7 static void remove_gp_cb(struct rcu_head *rhp)
1638  8 {
1639  9   struct foo *p = container_of(rhp, struct foo, rh);
1640 10
1641 11   kfree(p);
1642 12 }
1643 13
1644 14 bool remove_gp_asynchronous(void)
1645 15 {
1646 16   struct foo *p;
1647 17
1648 18   spin_lock(&amp;gp_lock);
1649 19   p = rcu_dereference(gp);
1650 20   if (!p) {
1651 21     spin_unlock(&amp;gp_lock);
1652 22     return false;
1653 23   }
1654 24   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1655 25   call_rcu(&amp;p-&gt;rh, remove_gp_cb);
1656 26   spin_unlock(&amp;gp_lock);
1657 27   return true;
1658 28 }
1659 </pre>
1660 </blockquote>
1661
1662 <p>
1663 A definition of <tt>struct foo</tt> is finally needed, and appears
1664 on lines&nbsp;1-5.
1665 The function <tt>remove_gp_cb()</tt> is passed to <tt>call_rcu()</tt>
1666 on line&nbsp;25, and will be invoked after the end of a subsequent
1667 grace period.
1668 This gets the same effect as <tt>remove_gp_synchronous()</tt>,
1669 but without forcing the updater to wait for a grace period to elapse.
1670 The <tt>call_rcu()</tt> function may be used in a number of
1671 situations where neither <tt>synchronize_rcu()</tt> nor
1672 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt> would be legal,
1673 including within preempt-disable code, <tt>local_bh_disable()</tt> code,
1674 interrupt-disable code, and interrupt handlers.
1675 However, even <tt>call_rcu()</tt> is illegal within NMI handlers
1676 and from idle and offline CPUs.
1677 The callback function (<tt>remove_gp_cb()</tt> in this case) will be
1678 executed within softirq (software interrupt) environment within the
1679 Linux kernel,
1680 either within a real softirq handler or under the protection
1681 of <tt>local_bh_disable()</tt>.
1682 In both the Linux kernel and in userspace, it is bad practice to
1683 write an RCU callback function that takes too long.
1684 Long-running operations should be relegated to separate threads or
1685 (in the Linux kernel) workqueues.
1686
1687 <table>
1688 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1689 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1690 <tr><td>
1691         Why does line&nbsp;19 use <tt>rcu_access_pointer()</tt>?
1692         After all, <tt>call_rcu()</tt> on line&nbsp;25 stores into the
1693         structure, which would interact badly with concurrent insertions.
1694         Doesn't this mean that <tt>rcu_dereference()</tt> is required?
1695 </td></tr>
1696 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1697 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1698         Presumably the <tt>-&gt;gp_lock</tt> acquired on line&nbsp;18 excludes
1699         any changes, including any insertions that <tt>rcu_dereference()</tt>
1700         would protect against.
1701         Therefore, any insertions will be delayed until after
1702         <tt>-&gt;gp_lock</tt>
1703         is released on line&nbsp;25, which in turn means that
1704         <tt>rcu_access_pointer()</tt> suffices.
1705 </font></td></tr>
1706 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1707 </table>
1708
1709 <p>
1710 However, all that <tt>remove_gp_cb()</tt> is doing is
1711 invoking <tt>kfree()</tt> on the data element.
1712 This is a common idiom, and is supported by <tt>kfree_rcu()</tt>,
1713 which allows &ldquo;fire and forget&rdquo; operation as shown below:
1714
1715 <blockquote>
1716 <pre>
1717  1 struct foo {
1718  2   int a;
1719  3   int b;
1720  4   struct rcu_head rh;
1721  5 };
1722  6
1723  7 bool remove_gp_faf(void)
1724  8 {
1725  9   struct foo *p;
1726 10
1727 11   spin_lock(&amp;gp_lock);
1728 12   p = rcu_dereference(gp);
1729 13   if (!p) {
1730 14     spin_unlock(&amp;gp_lock);
1731 15     return false;
1732 16   }
1733 17   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1734 18   kfree_rcu(p, rh);
1735 19   spin_unlock(&amp;gp_lock);
1736 20   return true;
1737 21 }
1738 </pre>
1739 </blockquote>
1740
1741 <p>
1742 Note that <tt>remove_gp_faf()</tt> simply invokes
1743 <tt>kfree_rcu()</tt> and proceeds, without any need to pay any
1744 further attention to the subsequent grace period and <tt>kfree()</tt>.
1745 It is permissible to invoke <tt>kfree_rcu()</tt> from the same
1746 environments as for <tt>call_rcu()</tt>.
1747 Interestingly enough, DYNIX/ptx had the equivalents of
1748 <tt>call_rcu()</tt> and <tt>kfree_rcu()</tt>, but not
1749 <tt>synchronize_rcu()</tt>.
1750 This was due to the fact that RCU was not heavily used within DYNIX/ptx,
1751 so the very few places that needed something like
1752 <tt>synchronize_rcu()</tt> simply open-coded it.
1753
1754 <table>
1755 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
1756 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
1757 <tr><td>
1758         Earlier it was claimed that <tt>call_rcu()</tt> and
1759         <tt>kfree_rcu()</tt> allowed updaters to avoid being blocked
1760         by readers.
1761         But how can that be correct, given that the invocation of the callback
1762         and the freeing of the memory (respectively) must still wait for
1763         a grace period to elapse?
1764 </td></tr>
1765 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
1766 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
1767         We could define things this way, but keep in mind that this sort of
1768         definition would say that updates in garbage-collected languages
1769         cannot complete until the next time the garbage collector runs,
1770         which does not seem at all reasonable.
1771         The key point is that in most cases, an updater using either
1772         <tt>call_rcu()</tt> or <tt>kfree_rcu()</tt> can proceed to the
1773         next update as soon as it has invoked <tt>call_rcu()</tt> or
1774         <tt>kfree_rcu()</tt>, without having to wait for a subsequent
1775         grace period.
1776 </font></td></tr>
1777 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
1778 </table>
1779
1780 <p>
1781 But what if the updater must wait for the completion of code to be
1782 executed after the end of the grace period, but has other tasks
1783 that can be carried out in the meantime?
1784 The polling-style <tt>get_state_synchronize_rcu()</tt> and
1785 <tt>cond_synchronize_rcu()</tt> functions may be used for this
1786 purpose, as shown below:
1787
1788 <blockquote>
1789 <pre>
1790  1 bool remove_gp_poll(void)
1791  2 {
1792  3   struct foo *p;
1793  4   unsigned long s;
1794  5
1795  6   spin_lock(&amp;gp_lock);
1796  7   p = rcu_access_pointer(gp);
1797  8   if (!p) {
1798  9     spin_unlock(&amp;gp_lock);
1799 10     return false;
1800 11   }
1801 12   rcu_assign_pointer(gp, NULL);
1802 13   spin_unlock(&amp;gp_lock);
1803 14   s = get_state_synchronize_rcu();
1804 15   do_something_while_waiting();
1805 16   cond_synchronize_rcu(s);
1806 17   kfree(p);
1807 18   return true;
1808 19 }
1809 </pre>
1810 </blockquote>
1811
1812 <p>
1813 On line&nbsp;14, <tt>get_state_synchronize_rcu()</tt> obtains a
1814 &ldquo;cookie&rdquo; from RCU,
1815 then line&nbsp;15 carries out other tasks,
1816 and finally, line&nbsp;16 returns immediately if a grace period has
1817 elapsed in the meantime, but otherwise waits as required.
1818 The need for <tt>get_state_synchronize_rcu</tt> and
1819 <tt>cond_synchronize_rcu()</tt> has appeared quite recently,
1820 so it is too early to tell whether they will stand the test of time.
1821
1822 <p>
1823 RCU thus provides a range of tools to allow updaters to strike the
1824 required tradeoff between latency, flexibility and CPU overhead.
1825
1826 <h3><a name="Composability">Composability</a></h3>
1827
1828 <p>
1829 Composability has received much attention in recent years, perhaps in part
1830 due to the collision of multicore hardware with object-oriented techniques
1831 designed in single-threaded environments for single-threaded use.
1832 And in theory, RCU read-side critical sections may be composed, and in
1833 fact may be nested arbitrarily deeply.
1834 In practice, as with all real-world implementations of composable
1835 constructs, there are limitations.
1836
1837 <p>
1838 Implementations of RCU for which <tt>rcu_read_lock()</tt>
1839 and <tt>rcu_read_unlock()</tt> generate no code, such as
1840 Linux-kernel RCU when <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>, can be
1841 nested arbitrarily deeply.
1842 After all, there is no overhead.
1843 Except that if all these instances of <tt>rcu_read_lock()</tt>
1844 and <tt>rcu_read_unlock()</tt> are visible to the compiler,
1845 compilation will eventually fail due to exhausting memory,
1846 mass storage, or user patience, whichever comes first.
1847 If the nesting is not visible to the compiler, as is the case with
1848 mutually recursive functions each in its own translation unit,
1849 stack overflow will result.
1850 If the nesting takes the form of loops, perhaps in the guise of tail
1851 recursion, either the control variable
1852 will overflow or (in the Linux kernel) you will get an RCU CPU stall warning.
1853 Nevertheless, this class of RCU implementations is one
1854 of the most composable constructs in existence.
1855
1856 <p>
1857 RCU implementations that explicitly track nesting depth
1858 are limited by the nesting-depth counter.
1859 For example, the Linux kernel's preemptible RCU limits nesting to
1860 <tt>INT_MAX</tt>.
1861 This should suffice for almost all practical purposes.
1862 That said, a consecutive pair of RCU read-side critical sections
1863 between which there is an operation that waits for a grace period
1864 cannot be enclosed in another RCU read-side critical section.
1865 This is because it is not legal to wait for a grace period within
1866 an RCU read-side critical section:  To do so would result either
1867 in deadlock or
1868 in RCU implicitly splitting the enclosing RCU read-side critical
1869 section, neither of which is conducive to a long-lived and prosperous
1870 kernel.
1871
1872 <p>
1873 It is worth noting that RCU is not alone in limiting composability.
1874 For example, many transactional-memory implementations prohibit
1875 composing a pair of transactions separated by an irrevocable
1876 operation (for example, a network receive operation).
1877 For another example, lock-based critical sections can be composed
1878 surprisingly freely, but only if deadlock is avoided.
1879
1880 <p>
1881 In short, although RCU read-side critical sections are highly composable,
1882 care is required in some situations, just as is the case for any other
1883 composable synchronization mechanism.
1884
1885 <h3><a name="Corner Cases">Corner Cases</a></h3>
1886
1887 <p>
1888 A given RCU workload might have an endless and intense stream of
1889 RCU read-side critical sections, perhaps even so intense that there
1890 was never a point in time during which there was not at least one
1891 RCU read-side critical section in flight.
1892 RCU cannot allow this situation to block grace periods:  As long as
1893 all the RCU read-side critical sections are finite, grace periods
1894 must also be finite.
1895
1896 <p>
1897 That said, preemptible RCU implementations could potentially result
1898 in RCU read-side critical sections being preempted for long durations,
1899 which has the effect of creating a long-duration RCU read-side
1900 critical section.
1901 This situation can arise only in heavily loaded systems, but systems using
1902 real-time priorities are of course more vulnerable.
1903 Therefore, RCU priority boosting is provided to help deal with this
1904 case.
1905 That said, the exact requirements on RCU priority boosting will likely
1906 evolve as more experience accumulates.
1907
1908 <p>
1909 Other workloads might have very high update rates.
1910 Although one can argue that such workloads should instead use
1911 something other than RCU, the fact remains that RCU must
1912 handle such workloads gracefully.
1913 This requirement is another factor driving batching of grace periods,
1914 but it is also the driving force behind the checks for large numbers
1915 of queued RCU callbacks in the <tt>call_rcu()</tt> code path.
1916 Finally, high update rates should not delay RCU read-side critical
1917 sections, although some small read-side delays can occur when using
1918 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>, courtesy of this function's use
1919 of <tt>smp_call_function_single()</tt>.
1920
1921 <p>
1922 Although all three of these corner cases were understood in the early
1923 1990s, a simple user-level test consisting of <tt>close(open(path))</tt>
1924 in a tight loop
1925 in the early 2000s suddenly provided a much deeper appreciation of the
1926 high-update-rate corner case.
1927 This test also motivated addition of some RCU code to react to high update
1928 rates, for example, if a given CPU finds itself with more than 10,000
1929 RCU callbacks queued, it will cause RCU to take evasive action by
1930 more aggressively starting grace periods and more aggressively forcing
1931 completion of grace-period processing.
1932 This evasive action causes the grace period to complete more quickly,
1933 but at the cost of restricting RCU's batching optimizations, thus
1934 increasing the CPU overhead incurred by that grace period.
1935
1936 <h2><a name="Software-Engineering Requirements">
1937 Software-Engineering Requirements</a></h2>
1938
1939 <p>
1940 Between Murphy's Law and &ldquo;To err is human&rdquo;, it is necessary to
1941 guard against mishaps and misuse:
1942
1943 <ol>
1944 <li>    It is all too easy to forget to use <tt>rcu_read_lock()</tt>
1945         everywhere that it is needed, so kernels built with
1946         <tt>CONFIG_PROVE_RCU=y</tt> will splat if
1947         <tt>rcu_dereference()</tt> is used outside of an
1948         RCU read-side critical section.
1949         Update-side code can use <tt>rcu_dereference_protected()</tt>,
1950         which takes a
1951         <a href="https://lwn.net/Articles/371986/">lockdep expression</a>
1952         to indicate what is providing the protection.
1953         If the indicated protection is not provided, a lockdep splat
1954         is emitted.
1955
1956         <p>
1957         Code shared between readers and updaters can use
1958         <tt>rcu_dereference_check()</tt>, which also takes a
1959         lockdep expression, and emits a lockdep splat if neither
1960         <tt>rcu_read_lock()</tt> nor the indicated protection
1961         is in place.
1962         In addition, <tt>rcu_dereference_raw()</tt> is used in those
1963         (hopefully rare) cases where the required protection cannot
1964         be easily described.
1965         Finally, <tt>rcu_read_lock_held()</tt> is provided to
1966         allow a function to verify that it has been invoked within
1967         an RCU read-side critical section.
1968         I was made aware of this set of requirements shortly after Thomas
1969         Gleixner audited a number of RCU uses.
1970 <li>    A given function might wish to check for RCU-related preconditions
1971         upon entry, before using any other RCU API.
1972         The <tt>rcu_lockdep_assert()</tt> does this job,
1973         asserting the expression in kernels having lockdep enabled
1974         and doing nothing otherwise.
1975 <li>    It is also easy to forget to use <tt>rcu_assign_pointer()</tt>
1976         and <tt>rcu_dereference()</tt>, perhaps (incorrectly)
1977         substituting a simple assignment.
1978         To catch this sort of error, a given RCU-protected pointer may be
1979         tagged with <tt>__rcu</tt>, after which sparse
1980         will complain about simple-assignment accesses to that pointer.
1981         Arnd Bergmann made me aware of this requirement, and also
1982         supplied the needed
1983         <a href="https://lwn.net/Articles/376011/">patch series</a>.
1984 <li>    Kernels built with <tt>CONFIG_DEBUG_OBJECTS_RCU_HEAD=y</tt>
1985         will splat if a data element is passed to <tt>call_rcu()</tt>
1986         twice in a row, without a grace period in between.
1987         (This error is similar to a double free.)
1988         The corresponding <tt>rcu_head</tt> structures that are
1989         dynamically allocated are automatically tracked, but
1990         <tt>rcu_head</tt> structures allocated on the stack
1991         must be initialized with <tt>init_rcu_head_on_stack()</tt>
1992         and cleaned up with <tt>destroy_rcu_head_on_stack()</tt>.
1993         Similarly, statically allocated non-stack <tt>rcu_head</tt>
1994         structures must be initialized with <tt>init_rcu_head()</tt>
1995         and cleaned up with <tt>destroy_rcu_head()</tt>.
1996         Mathieu Desnoyers made me aware of this requirement, and also
1997         supplied the needed
1998         <a href="https://lkml.kernel.org/g/20100319013024.GA28456@Krystal">patch</a>.
1999 <li>    An infinite loop in an RCU read-side critical section will
2000         eventually trigger an RCU CPU stall warning splat, with
2001         the duration of &ldquo;eventually&rdquo; being controlled by the
2002         <tt>RCU_CPU_STALL_TIMEOUT</tt> <tt>Kconfig</tt> option, or,
2003         alternatively, by the
2004         <tt>rcupdate.rcu_cpu_stall_timeout</tt> boot/sysfs
2005         parameter.
2006         However, RCU is not obligated to produce this splat
2007         unless there is a grace period waiting on that particular
2008         RCU read-side critical section.
2009         <p>
2010         Some extreme workloads might intentionally delay
2011         RCU grace periods, and systems running those workloads can
2012         be booted with <tt>rcupdate.rcu_cpu_stall_suppress</tt>
2013         to suppress the splats.
2014         This kernel parameter may also be set via <tt>sysfs</tt>.
2015         Furthermore, RCU CPU stall warnings are counter-productive
2016         during sysrq dumps and during panics.
2017         RCU therefore supplies the <tt>rcu_sysrq_start()</tt> and
2018         <tt>rcu_sysrq_end()</tt> API members to be called before
2019         and after long sysrq dumps.
2020         RCU also supplies the <tt>rcu_panic()</tt> notifier that is
2021         automatically invoked at the beginning of a panic to suppress
2022         further RCU CPU stall warnings.
2023
2024         <p>
2025         This requirement made itself known in the early 1990s, pretty
2026         much the first time that it was necessary to debug a CPU stall.
2027         That said, the initial implementation in DYNIX/ptx was quite
2028         generic in comparison with that of Linux.
2029 <li>    Although it would be very good to detect pointers leaking out
2030         of RCU read-side critical sections, there is currently no
2031         good way of doing this.
2032         One complication is the need to distinguish between pointers
2033         leaking and pointers that have been handed off from RCU to
2034         some other synchronization mechanism, for example, reference
2035         counting.
2036 <li>    In kernels built with <tt>CONFIG_RCU_TRACE=y</tt>, RCU-related
2037         information is provided via event tracing.
2038 <li>    Open-coded use of <tt>rcu_assign_pointer()</tt> and
2039         <tt>rcu_dereference()</tt> to create typical linked
2040         data structures can be surprisingly error-prone.
2041         Therefore, RCU-protected
2042         <a href="https://lwn.net/Articles/609973/#RCU List APIs">linked lists</a>
2043         and, more recently, RCU-protected
2044         <a href="https://lwn.net/Articles/612100/">hash tables</a>
2045         are available.
2046         Many other special-purpose RCU-protected data structures are
2047         available in the Linux kernel and the userspace RCU library.
2048 <li>    Some linked structures are created at compile time, but still
2049         require <tt>__rcu</tt> checking.
2050         The <tt>RCU_POINTER_INITIALIZER()</tt> macro serves this
2051         purpose.
2052 <li>    It is not necessary to use <tt>rcu_assign_pointer()</tt>
2053         when creating linked structures that are to be published via
2054         a single external pointer.
2055         The <tt>RCU_INIT_POINTER()</tt> macro is provided for
2056         this task and also for assigning <tt>NULL</tt> pointers
2057         at runtime.
2058 </ol>
2059
2060 <p>
2061 This not a hard-and-fast list:  RCU's diagnostic capabilities will
2062 continue to be guided by the number and type of usage bugs found
2063 in real-world RCU usage.
2064
2065 <h2><a name="Linux Kernel Complications">Linux Kernel Complications</a></h2>
2066
2067 <p>
2068 The Linux kernel provides an interesting environment for all kinds of
2069 software, including RCU.
2070 Some of the relevant points of interest are as follows:
2071
2072 <ol>
2073 <li>    <a href="#Configuration">Configuration</a>.
2074 <li>    <a href="#Firmware Interface">Firmware Interface</a>.
2075 <li>    <a href="#Early Boot">Early Boot</a>.
2076 <li>    <a href="#Interrupts and NMIs">
2077         Interrupts and non-maskable interrupts (NMIs)</a>.
2078 <li>    <a href="#Loadable Modules">Loadable Modules</a>.
2079 <li>    <a href="#Hotplug CPU">Hotplug CPU</a>.
2080 <li>    <a href="#Scheduler and RCU">Scheduler and RCU</a>.
2081 <li>    <a href="#Tracing and RCU">Tracing and RCU</a>.
2082 <li>    <a href="#Energy Efficiency">Energy Efficiency</a>.
2083 <li>    <a href="#Scheduling-Clock Interrupts and RCU">
2084         Scheduling-Clock Interrupts and RCU</a>.
2085 <li>    <a href="#Memory Efficiency">Memory Efficiency</a>.
2086 <li>    <a href="#Performance, Scalability, Response Time, and Reliability">
2087         Performance, Scalability, Response Time, and Reliability</a>.
2088 </ol>
2089
2090 <p>
2091 This list is probably incomplete, but it does give a feel for the
2092 most notable Linux-kernel complications.
2093 Each of the following sections covers one of the above topics.
2094
2095 <h3><a name="Configuration">Configuration</a></h3>
2096
2097 <p>
2098 RCU's goal is automatic configuration, so that almost nobody
2099 needs to worry about RCU's <tt>Kconfig</tt> options.
2100 And for almost all users, RCU does in fact work well
2101 &ldquo;out of the box.&rdquo;
2102
2103 <p>
2104 However, there are specialized use cases that are handled by
2105 kernel boot parameters and <tt>Kconfig</tt> options.
2106 Unfortunately, the <tt>Kconfig</tt> system will explicitly ask users
2107 about new <tt>Kconfig</tt> options, which requires almost all of them
2108 be hidden behind a <tt>CONFIG_RCU_EXPERT</tt> <tt>Kconfig</tt> option.
2109
2110 <p>
2111 This all should be quite obvious, but the fact remains that
2112 Linus Torvalds recently had to
2113 <a href="https://lkml.kernel.org/g/CA+55aFy4wcCwaL4okTs8wXhGZ5h-ibecy_Meg9C4MNQrUnwMcg@mail.gmail.com">remind</a>
2114 me of this requirement.
2115
2116 <h3><a name="Firmware Interface">Firmware Interface</a></h3>
2117
2118 <p>
2119 In many cases, kernel obtains information about the system from the
2120 firmware, and sometimes things are lost in translation.
2121 Or the translation is accurate, but the original message is bogus.
2122
2123 <p>
2124 For example, some systems' firmware overreports the number of CPUs,
2125 sometimes by a large factor.
2126 If RCU naively believed the firmware, as it used to do,
2127 it would create too many per-CPU kthreads.
2128 Although the resulting system will still run correctly, the extra
2129 kthreads needlessly consume memory and can cause confusion
2130 when they show up in <tt>ps</tt> listings.
2131
2132 <p>
2133 RCU must therefore wait for a given CPU to actually come online before
2134 it can allow itself to believe that the CPU actually exists.
2135 The resulting &ldquo;ghost CPUs&rdquo; (which are never going to
2136 come online) cause a number of
2137 <a href="https://paulmck.livejournal.com/37494.html">interesting complications</a>.
2138
2139 <h3><a name="Early Boot">Early Boot</a></h3>
2140
2141 <p>
2142 The Linux kernel's boot sequence is an interesting process,
2143 and RCU is used early, even before <tt>rcu_init()</tt>
2144 is invoked.
2145 In fact, a number of RCU's primitives can be used as soon as the
2146 initial task's <tt>task_struct</tt> is available and the
2147 boot CPU's per-CPU variables are set up.
2148 The read-side primitives (<tt>rcu_read_lock()</tt>,
2149 <tt>rcu_read_unlock()</tt>, <tt>rcu_dereference()</tt>,
2150 and <tt>rcu_access_pointer()</tt>) will operate normally very early on,
2151 as will <tt>rcu_assign_pointer()</tt>.
2152
2153 <p>
2154 Although <tt>call_rcu()</tt> may be invoked at any
2155 time during boot, callbacks are not guaranteed to be invoked until after
2156 all of RCU's kthreads have been spawned, which occurs at
2157 <tt>early_initcall()</tt> time.
2158 This delay in callback invocation is due to the fact that RCU does not
2159 invoke callbacks until it is fully initialized, and this full initialization
2160 cannot occur until after the scheduler has initialized itself to the
2161 point where RCU can spawn and run its kthreads.
2162 In theory, it would be possible to invoke callbacks earlier,
2163 however, this is not a panacea because there would be severe restrictions
2164 on what operations those callbacks could invoke.
2165
2166 <p>
2167 Perhaps surprisingly, <tt>synchronize_rcu()</tt>,
2168 <a href="#Bottom-Half Flavor"><tt>synchronize_rcu_bh()</tt></a>
2169 (<a href="#Bottom-Half Flavor">discussed below</a>),
2170 <a href="#Sched Flavor"><tt>synchronize_sched()</tt></a>,
2171 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>,
2172 <tt>synchronize_rcu_bh_expedited()</tt>, and
2173 <tt>synchronize_sched_expedited()</tt>
2174 will all operate normally
2175 during very early boot, the reason being that there is only one CPU
2176 and preemption is disabled.
2177 This means that the call <tt>synchronize_rcu()</tt> (or friends)
2178 itself is a quiescent
2179 state and thus a grace period, so the early-boot implementation can
2180 be a no-op.
2181
2182 <p>
2183 However, once the scheduler has spawned its first kthread, this early
2184 boot trick fails for <tt>synchronize_rcu()</tt> (as well as for
2185 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>) in <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt>
2186 kernels.
2187 The reason is that an RCU read-side critical section might be preempted,
2188 which means that a subsequent <tt>synchronize_rcu()</tt> really does have
2189 to wait for something, as opposed to simply returning immediately.
2190 Unfortunately, <tt>synchronize_rcu()</tt> can't do this until all of
2191 its kthreads are spawned, which doesn't happen until some time during
2192 <tt>early_initcalls()</tt> time.
2193 But this is no excuse:  RCU is nevertheless required to correctly handle
2194 synchronous grace periods during this time period.
2195 Once all of its kthreads are up and running, RCU starts running
2196 normally.
2197
2198 <table>
2199 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
2200 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
2201 <tr><td>
2202         How can RCU possibly handle grace periods before all of its
2203         kthreads have been spawned???
2204 </td></tr>
2205 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
2206 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
2207         Very carefully!
2208         </font>
2209
2210         <p><font color="ffffff">
2211         During the &ldquo;dead zone&rdquo; between the time that the
2212         scheduler spawns the first task and the time that all of RCU's
2213         kthreads have been spawned, all synchronous grace periods are
2214         handled by the expedited grace-period mechanism.
2215         At runtime, this expedited mechanism relies on workqueues, but
2216         during the dead zone the requesting task itself drives the
2217         desired expedited grace period.
2218         Because dead-zone execution takes place within task context,
2219         everything works.
2220         Once the dead zone ends, expedited grace periods go back to
2221         using workqueues, as is required to avoid problems that would
2222         otherwise occur when a user task received a POSIX signal while
2223         driving an expedited grace period.
2224         </font>
2225
2226         <p><font color="ffffff">
2227         And yes, this does mean that it is unhelpful to send POSIX
2228         signals to random tasks between the time that the scheduler
2229         spawns its first kthread and the time that RCU's kthreads
2230         have all been spawned.
2231         If there ever turns out to be a good reason for sending POSIX
2232         signals during that time, appropriate adjustments will be made.
2233         (If it turns out that POSIX signals are sent during this time for
2234         no good reason, other adjustments will be made, appropriate
2235         or otherwise.)
2236 </font></td></tr>
2237 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
2238 </table>
2239
2240 <p>
2241 I learned of these boot-time requirements as a result of a series of
2242 system hangs.
2243
2244 <h3><a name="Interrupts and NMIs">Interrupts and NMIs</a></h3>
2245
2246 <p>
2247 The Linux kernel has interrupts, and RCU read-side critical sections are
2248 legal within interrupt handlers and within interrupt-disabled regions
2249 of code, as are invocations of <tt>call_rcu()</tt>.
2250
2251 <p>
2252 Some Linux-kernel architectures can enter an interrupt handler from
2253 non-idle process context, and then just never leave it, instead stealthily
2254 transitioning back to process context.
2255 This trick is sometimes used to invoke system calls from inside the kernel.
2256 These &ldquo;half-interrupts&rdquo; mean that RCU has to be very careful
2257 about how it counts interrupt nesting levels.
2258 I learned of this requirement the hard way during a rewrite
2259 of RCU's dyntick-idle code.
2260
2261 <p>
2262 The Linux kernel has non-maskable interrupts (NMIs), and
2263 RCU read-side critical sections are legal within NMI handlers.
2264 Thankfully, RCU update-side primitives, including
2265 <tt>call_rcu()</tt>, are prohibited within NMI handlers.
2266
2267 <p>
2268 The name notwithstanding, some Linux-kernel architectures
2269 can have nested NMIs, which RCU must handle correctly.
2270 Andy Lutomirski
2271 <a href="https://lkml.kernel.org/g/CALCETrXLq1y7e_dKFPgou-FKHB6Pu-r8+t-6Ds+8=va7anBWDA@mail.gmail.com">surprised me</a>
2272 with this requirement;
2273 he also kindly surprised me with
2274 <a href="https://lkml.kernel.org/g/CALCETrXSY9JpW3uE6H8WYk81sg56qasA2aqmjMPsq5dOtzso=g@mail.gmail.com">an algorithm</a>
2275 that meets this requirement.
2276
2277 <h3><a name="Loadable Modules">Loadable Modules</a></h3>
2278
2279 <p>
2280 The Linux kernel has loadable modules, and these modules can
2281 also be unloaded.
2282 After a given module has been unloaded, any attempt to call
2283 one of its functions results in a segmentation fault.
2284 The module-unload functions must therefore cancel any
2285 delayed calls to loadable-module functions, for example,
2286 any outstanding <tt>mod_timer()</tt> must be dealt with
2287 via <tt>del_timer_sync()</tt> or similar.
2288
2289 <p>
2290 Unfortunately, there is no way to cancel an RCU callback;
2291 once you invoke <tt>call_rcu()</tt>, the callback function is
2292 going to eventually be invoked, unless the system goes down first.
2293 Because it is normally considered socially irresponsible to crash the system
2294 in response to a module unload request, we need some other way
2295 to deal with in-flight RCU callbacks.
2296
2297 <p>
2298 RCU therefore provides
2299 <tt><a href="https://lwn.net/Articles/217484/">rcu_barrier()</a></tt>,
2300 which waits until all in-flight RCU callbacks have been invoked.
2301 If a module uses <tt>call_rcu()</tt>, its exit function should therefore
2302 prevent any future invocation of <tt>call_rcu()</tt>, then invoke
2303 <tt>rcu_barrier()</tt>.
2304 In theory, the underlying module-unload code could invoke
2305 <tt>rcu_barrier()</tt> unconditionally, but in practice this would
2306 incur unacceptable latencies.
2307
2308 <p>
2309 Nikita Danilov noted this requirement for an analogous filesystem-unmount
2310 situation, and Dipankar Sarma incorporated <tt>rcu_barrier()</tt> into RCU.
2311 The need for <tt>rcu_barrier()</tt> for module unloading became
2312 apparent later.
2313
2314 <p>
2315 <b>Important note</b>: The <tt>rcu_barrier()</tt> function is not,
2316 repeat, <i>not</i>, obligated to wait for a grace period.
2317 It is instead only required to wait for RCU callbacks that have
2318 already been posted.
2319 Therefore, if there are no RCU callbacks posted anywhere in the system,
2320 <tt>rcu_barrier()</tt> is within its rights to return immediately.
2321 Even if there are callbacks posted, <tt>rcu_barrier()</tt> does not
2322 necessarily need to wait for a grace period.
2323
2324 <table>
2325 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
2326 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
2327 <tr><td>
2328         Wait a minute!
2329         Each RCU callbacks must wait for a grace period to complete,
2330         and <tt>rcu_barrier()</tt> must wait for each pre-existing
2331         callback to be invoked.
2332         Doesn't <tt>rcu_barrier()</tt> therefore need to wait for
2333         a full grace period if there is even one callback posted anywhere
2334         in the system?
2335 </td></tr>
2336 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
2337 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
2338         Absolutely not!!!
2339         </font>
2340
2341         <p><font color="ffffff">
2342         Yes, each RCU callbacks must wait for a grace period to complete,
2343         but it might well be partly (or even completely) finished waiting
2344         by the time <tt>rcu_barrier()</tt> is invoked.
2345         In that case, <tt>rcu_barrier()</tt> need only wait for the
2346         remaining portion of the grace period to elapse.
2347         So even if there are quite a few callbacks posted,
2348         <tt>rcu_barrier()</tt> might well return quite quickly.
2349         </font>
2350
2351         <p><font color="ffffff">
2352         So if you need to wait for a grace period as well as for all
2353         pre-existing callbacks, you will need to invoke both
2354         <tt>synchronize_rcu()</tt> and <tt>rcu_barrier()</tt>.
2355         If latency is a concern, you can always use workqueues
2356         to invoke them concurrently.
2357 </font></td></tr>
2358 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
2359 </table>
2360
2361 <h3><a name="Hotplug CPU">Hotplug CPU</a></h3>
2362
2363 <p>
2364 The Linux kernel supports CPU hotplug, which means that CPUs
2365 can come and go.
2366 It is of course illegal to use any RCU API member from an offline CPU,
2367 with the exception of <a href="#Sleepable RCU">SRCU</a> read-side
2368 critical sections.
2369 This requirement was present from day one in DYNIX/ptx, but
2370 on the other hand, the Linux kernel's CPU-hotplug implementation
2371 is &ldquo;interesting.&rdquo;
2372
2373 <p>
2374 The Linux-kernel CPU-hotplug implementation has notifiers that
2375 are used to allow the various kernel subsystems (including RCU)
2376 to respond appropriately to a given CPU-hotplug operation.
2377 Most RCU operations may be invoked from CPU-hotplug notifiers,
2378 including even synchronous grace-period operations such as
2379 <tt>synchronize_rcu()</tt> and <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>.
2380
2381 <p>
2382 However, all-callback-wait operations such as
2383 <tt>rcu_barrier()</tt> are also not supported, due to the
2384 fact that there are phases of CPU-hotplug operations where
2385 the outgoing CPU's callbacks will not be invoked until after
2386 the CPU-hotplug operation ends, which could also result in deadlock.
2387 Furthermore, <tt>rcu_barrier()</tt> blocks CPU-hotplug operations
2388 during its execution, which results in another type of deadlock
2389 when invoked from a CPU-hotplug notifier.
2390
2391 <h3><a name="Scheduler and RCU">Scheduler and RCU</a></h3>
2392
2393 <p>
2394 RCU depends on the scheduler, and the scheduler uses RCU to
2395 protect some of its data structures.
2396 This means the scheduler is forbidden from acquiring
2397 the runqueue locks and the priority-inheritance locks
2398 in the middle of an outermost RCU read-side critical section unless either
2399 (1)&nbsp;it releases them before exiting that same
2400 RCU read-side critical section, or
2401 (2)&nbsp;interrupts are disabled across
2402 that entire RCU read-side critical section.
2403 This same prohibition also applies (recursively!) to any lock that is acquired
2404 while holding any lock to which this prohibition applies.
2405 Adhering to this rule prevents preemptible RCU from invoking
2406 <tt>rcu_read_unlock_special()</tt> while either runqueue or
2407 priority-inheritance locks are held, thus avoiding deadlock.
2408
2409 <p>
2410 Prior to v4.4, it was only necessary to disable preemption across
2411 RCU read-side critical sections that acquired scheduler locks.
2412 In v4.4, expedited grace periods started using IPIs, and these
2413 IPIs could force a <tt>rcu_read_unlock()</tt> to take the slowpath.
2414 Therefore, this expedited-grace-period change required disabling of
2415 interrupts, not just preemption.
2416
2417 <p>
2418 For RCU's part, the preemptible-RCU <tt>rcu_read_unlock()</tt>
2419 implementation must be written carefully to avoid similar deadlocks.
2420 In particular, <tt>rcu_read_unlock()</tt> must tolerate an
2421 interrupt where the interrupt handler invokes both
2422 <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>.
2423 This possibility requires <tt>rcu_read_unlock()</tt> to use
2424 negative nesting levels to avoid destructive recursion via
2425 interrupt handler's use of RCU.
2426
2427 <p>
2428 This pair of mutual scheduler-RCU requirements came as a
2429 <a href="https://lwn.net/Articles/453002/">complete surprise</a>.
2430
2431 <p>
2432 As noted above, RCU makes use of kthreads, and it is necessary to
2433 avoid excessive CPU-time accumulation by these kthreads.
2434 This requirement was no surprise, but RCU's violation of it
2435 when running context-switch-heavy workloads when built with
2436 <tt>CONFIG_NO_HZ_FULL=y</tt>
2437 <a href="http://www.rdrop.com/users/paulmck/scalability/paper/BareMetal.2015.01.15b.pdf">did come as a surprise [PDF]</a>.
2438 RCU has made good progress towards meeting this requirement, even
2439 for context-switch-have <tt>CONFIG_NO_HZ_FULL=y</tt> workloads,
2440 but there is room for further improvement.
2441
2442 <h3><a name="Tracing and RCU">Tracing and RCU</a></h3>
2443
2444 <p>
2445 It is possible to use tracing on RCU code, but tracing itself
2446 uses RCU.
2447 For this reason, <tt>rcu_dereference_raw_notrace()</tt>
2448 is provided for use by tracing, which avoids the destructive
2449 recursion that could otherwise ensue.
2450 This API is also used by virtualization in some architectures,
2451 where RCU readers execute in environments in which tracing
2452 cannot be used.
2453 The tracing folks both located the requirement and provided the
2454 needed fix, so this surprise requirement was relatively painless.
2455
2456 <h3><a name="Energy Efficiency">Energy Efficiency</a></h3>
2457
2458 <p>
2459 Interrupting idle CPUs is considered socially unacceptable,
2460 especially by people with battery-powered embedded systems.
2461 RCU therefore conserves energy by detecting which CPUs are
2462 idle, including tracking CPUs that have been interrupted from idle.
2463 This is a large part of the energy-efficiency requirement,
2464 so I learned of this via an irate phone call.
2465
2466 <p>
2467 Because RCU avoids interrupting idle CPUs, it is illegal to
2468 execute an RCU read-side critical section on an idle CPU.
2469 (Kernels built with <tt>CONFIG_PROVE_RCU=y</tt> will splat
2470 if you try it.)
2471 The <tt>RCU_NONIDLE()</tt> macro and <tt>_rcuidle</tt>
2472 event tracing is provided to work around this restriction.
2473 In addition, <tt>rcu_is_watching()</tt> may be used to
2474 test whether or not it is currently legal to run RCU read-side
2475 critical sections on this CPU.
2476 I learned of the need for diagnostics on the one hand
2477 and <tt>RCU_NONIDLE()</tt> on the other while inspecting
2478 idle-loop code.
2479 Steven Rostedt supplied <tt>_rcuidle</tt> event tracing,
2480 which is used quite heavily in the idle loop.
2481 However, there are some restrictions on the code placed within
2482 <tt>RCU_NONIDLE()</tt>:
2483
2484 <ol>
2485 <li>    Blocking is prohibited.
2486         In practice, this is not a serious restriction given that idle
2487         tasks are prohibited from blocking to begin with.
2488 <li>    Although nesting <tt>RCU_NONIDLE()</tt> is permitted, they cannot
2489         nest indefinitely deeply.
2490         However, given that they can be nested on the order of a million
2491         deep, even on 32-bit systems, this should not be a serious
2492         restriction.
2493         This nesting limit would probably be reached long after the
2494         compiler OOMed or the stack overflowed.
2495 <li>    Any code path that enters <tt>RCU_NONIDLE()</tt> must sequence
2496         out of that same <tt>RCU_NONIDLE()</tt>.
2497         For example, the following is grossly illegal:
2498
2499         <blockquote>
2500         <pre>
2501  1     RCU_NONIDLE({
2502  2       do_something();
2503  3       goto bad_idea;  /* BUG!!! */
2504  4       do_something_else();});
2505  5   bad_idea:
2506         </pre>
2507         </blockquote>
2508
2509         <p>
2510         It is just as illegal to transfer control into the middle of
2511         <tt>RCU_NONIDLE()</tt>'s argument.
2512         Yes, in theory, you could transfer in as long as you also
2513         transferred out, but in practice you could also expect to get sharply
2514         worded review comments.
2515 </ol>
2516
2517 <p>
2518 It is similarly socially unacceptable to interrupt an
2519 <tt>nohz_full</tt> CPU running in userspace.
2520 RCU must therefore track <tt>nohz_full</tt> userspace
2521 execution.
2522 RCU must therefore be able to sample state at two points in
2523 time, and be able to determine whether or not some other CPU spent
2524 any time idle and/or executing in userspace.
2525
2526 <p>
2527 These energy-efficiency requirements have proven quite difficult to
2528 understand and to meet, for example, there have been more than five
2529 clean-sheet rewrites of RCU's energy-efficiency code, the last of
2530 which was finally able to demonstrate
2531 <a href="http://www.rdrop.com/users/paulmck/realtime/paper/AMPenergy.2013.04.19a.pdf">real energy savings running on real hardware [PDF]</a>.
2532 As noted earlier,
2533 I learned of many of these requirements via angry phone calls:
2534 Flaming me on the Linux-kernel mailing list was apparently not
2535 sufficient to fully vent their ire at RCU's energy-efficiency bugs!
2536
2537 <h3><a name="Scheduling-Clock Interrupts and RCU">
2538 Scheduling-Clock Interrupts and RCU</a></h3>
2539
2540 <p>
2541 The kernel transitions between in-kernel non-idle execution, userspace
2542 execution, and the idle loop.
2543 Depending on kernel configuration, RCU handles these states differently:
2544
2545 <table border=3>
2546 <tr><th><tt>HZ</tt> Kconfig</th>
2547         <th>In-Kernel</th>
2548                 <th>Usermode</th>
2549                         <th>Idle</th></tr>
2550 <tr><th align="left"><tt>HZ_PERIODIC</tt></th>
2551         <td>Can rely on scheduling-clock interrupt.</td>
2552                 <td>Can rely on scheduling-clock interrupt and its
2553                     detection of interrupt from usermode.</td>
2554                         <td>Can rely on RCU's dyntick-idle detection.</td></tr>
2555 <tr><th align="left"><tt>NO_HZ_IDLE</tt></th>
2556         <td>Can rely on scheduling-clock interrupt.</td>
2557                 <td>Can rely on scheduling-clock interrupt and its
2558                     detection of interrupt from usermode.</td>
2559                         <td>Can rely on RCU's dyntick-idle detection.</td></tr>
2560 <tr><th align="left"><tt>NO_HZ_FULL</tt></th>
2561         <td>Can only sometimes rely on scheduling-clock interrupt.
2562             In other cases, it is necessary to bound kernel execution
2563             times and/or use IPIs.</td>
2564                 <td>Can rely on RCU's dyntick-idle detection.</td>
2565                         <td>Can rely on RCU's dyntick-idle detection.</td></tr>
2566 </table>
2567
2568 <table>
2569 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
2570 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
2571 <tr><td>
2572         Why can't <tt>NO_HZ_FULL</tt> in-kernel execution rely on the
2573         scheduling-clock interrupt, just like <tt>HZ_PERIODIC</tt>
2574         and <tt>NO_HZ_IDLE</tt> do?
2575 </td></tr>
2576 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
2577 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
2578         Because, as a performance optimization, <tt>NO_HZ_FULL</tt>
2579         does not necessarily re-enable the scheduling-clock interrupt
2580         on entry to each and every system call.
2581 </font></td></tr>
2582 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
2583 </table>
2584
2585 <p>
2586 However, RCU must be reliably informed as to whether any given
2587 CPU is currently in the idle loop, and, for <tt>NO_HZ_FULL</tt>,
2588 also whether that CPU is executing in usermode, as discussed
2589 <a href="#Energy Efficiency">earlier</a>.
2590 It also requires that the scheduling-clock interrupt be enabled when
2591 RCU needs it to be:
2592
2593 <ol>
2594 <li>    If a CPU is either idle or executing in usermode, and RCU believes
2595         it is non-idle, the scheduling-clock tick had better be running.
2596         Otherwise, you will get RCU CPU stall warnings.  Or at best,
2597         very long (11-second) grace periods, with a pointless IPI waking
2598         the CPU from time to time.
2599 <li>    If a CPU is in a portion of the kernel that executes RCU read-side
2600         critical sections, and RCU believes this CPU to be idle, you will get
2601         random memory corruption.  <b>DON'T DO THIS!!!</b>
2602
2603         <br>This is one reason to test with lockdep, which will complain
2604         about this sort of thing.
2605 <li>    If a CPU is in a portion of the kernel that is absolutely
2606         positively no-joking guaranteed to never execute any RCU read-side
2607         critical sections, and RCU believes this CPU to to be idle,
2608         no problem.  This sort of thing is used by some architectures
2609         for light-weight exception handlers, which can then avoid the
2610         overhead of <tt>rcu_irq_enter()</tt> and <tt>rcu_irq_exit()</tt>
2611         at exception entry and exit, respectively.
2612         Some go further and avoid the entireties of <tt>irq_enter()</tt>
2613         and <tt>irq_exit()</tt>.
2614
2615         <br>Just make very sure you are running some of your tests with
2616         <tt>CONFIG_PROVE_RCU=y</tt>, just in case one of your code paths
2617         was in fact joking about not doing RCU read-side critical sections.
2618 <li>    If a CPU is executing in the kernel with the scheduling-clock
2619         interrupt disabled and RCU believes this CPU to be non-idle,
2620         and if the CPU goes idle (from an RCU perspective) every few
2621         jiffies, no problem.  It is usually OK for there to be the
2622         occasional gap between idle periods of up to a second or so.
2623
2624         <br>If the gap grows too long, you get RCU CPU stall warnings.
2625 <li>    If a CPU is either idle or executing in usermode, and RCU believes
2626         it to be idle, of course no problem.
2627 <li>    If a CPU is executing in the kernel, the kernel code
2628         path is passing through quiescent states at a reasonable
2629         frequency (preferably about once per few jiffies, but the
2630         occasional excursion to a second or so is usually OK) and the
2631         scheduling-clock interrupt is enabled, of course no problem.
2632
2633         <br>If the gap between a successive pair of quiescent states grows
2634         too long, you get RCU CPU stall warnings.
2635 </ol>
2636
2637 <table>
2638 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
2639 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
2640 <tr><td>
2641         But what if my driver has a hardware interrupt handler
2642         that can run for many seconds?
2643         I cannot invoke <tt>schedule()</tt> from an hardware
2644         interrupt handler, after all!
2645 </td></tr>
2646 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
2647 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
2648         One approach is to do <tt>rcu_irq_exit();rcu_irq_enter();</tt>
2649         every so often.
2650         But given that long-running interrupt handlers can cause
2651         other problems, not least for response time, shouldn't you
2652         work to keep your interrupt handler's runtime within reasonable
2653         bounds?
2654 </font></td></tr>
2655 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
2656 </table>
2657
2658 <p>
2659 But as long as RCU is properly informed of kernel state transitions between
2660 in-kernel execution, usermode execution, and idle, and as long as the
2661 scheduling-clock interrupt is enabled when RCU needs it to be, you
2662 can rest assured that the bugs you encounter will be in some other
2663 part of RCU or some other part of the kernel!
2664
2665 <h3><a name="Memory Efficiency">Memory Efficiency</a></h3>
2666
2667 <p>
2668 Although small-memory non-realtime systems can simply use Tiny RCU,
2669 code size is only one aspect of memory efficiency.
2670 Another aspect is the size of the <tt>rcu_head</tt> structure
2671 used by <tt>call_rcu()</tt> and <tt>kfree_rcu()</tt>.
2672 Although this structure contains nothing more than a pair of pointers,
2673 it does appear in many RCU-protected data structures, including
2674 some that are size critical.
2675 The <tt>page</tt> structure is a case in point, as evidenced by
2676 the many occurrences of the <tt>union</tt> keyword within that structure.
2677
2678 <p>
2679 This need for memory efficiency is one reason that RCU uses hand-crafted
2680 singly linked lists to track the <tt>rcu_head</tt> structures that
2681 are waiting for a grace period to elapse.
2682 It is also the reason why <tt>rcu_head</tt> structures do not contain
2683 debug information, such as fields tracking the file and line of the
2684 <tt>call_rcu()</tt> or <tt>kfree_rcu()</tt> that posted them.
2685 Although this information might appear in debug-only kernel builds at some
2686 point, in the meantime, the <tt>-&gt;func</tt> field will often provide
2687 the needed debug information.
2688
2689 <p>
2690 However, in some cases, the need for memory efficiency leads to even
2691 more extreme measures.
2692 Returning to the <tt>page</tt> structure, the <tt>rcu_head</tt> field
2693 shares storage with a great many other structures that are used at
2694 various points in the corresponding page's lifetime.
2695 In order to correctly resolve certain
2696 <a href="https://lkml.kernel.org/g/1439976106-137226-1-git-send-email-kirill.shutemov@linux.intel.com">race conditions</a>,
2697 the Linux kernel's memory-management subsystem needs a particular bit
2698 to remain zero during all phases of grace-period processing,
2699 and that bit happens to map to the bottom bit of the
2700 <tt>rcu_head</tt> structure's <tt>-&gt;next</tt> field.
2701 RCU makes this guarantee as long as <tt>call_rcu()</tt>
2702 is used to post the callback, as opposed to <tt>kfree_rcu()</tt>
2703 or some future &ldquo;lazy&rdquo;
2704 variant of <tt>call_rcu()</tt> that might one day be created for
2705 energy-efficiency purposes.
2706
2707 <p>
2708 That said, there are limits.
2709 RCU requires that the <tt>rcu_head</tt> structure be aligned to a
2710 two-byte boundary, and passing a misaligned <tt>rcu_head</tt>
2711 structure to one of the <tt>call_rcu()</tt> family of functions
2712 will result in a splat.
2713 It is therefore necessary to exercise caution when packing
2714 structures containing fields of type <tt>rcu_head</tt>.
2715 Why not a four-byte or even eight-byte alignment requirement?
2716 Because the m68k architecture provides only two-byte alignment,
2717 and thus acts as alignment's least common denominator.
2718
2719 <p>
2720 The reason for reserving the bottom bit of pointers to
2721 <tt>rcu_head</tt> structures is to leave the door open to
2722 &ldquo;lazy&rdquo; callbacks whose invocations can safely be deferred.
2723 Deferring invocation could potentially have energy-efficiency
2724 benefits, but only if the rate of non-lazy callbacks decreases
2725 significantly for some important workload.
2726 In the meantime, reserving the bottom bit keeps this option open
2727 in case it one day becomes useful.
2728
2729 <h3><a name="Performance, Scalability, Response Time, and Reliability">
2730 Performance, Scalability, Response Time, and Reliability</a></h3>
2731
2732 <p>
2733 Expanding on the
2734 <a href="#Performance and Scalability">earlier discussion</a>,
2735 RCU is used heavily by hot code paths in performance-critical
2736 portions of the Linux kernel's networking, security, virtualization,
2737 and scheduling code paths.
2738 RCU must therefore use efficient implementations, especially in its
2739 read-side primitives.
2740 To that end, it would be good if preemptible RCU's implementation
2741 of <tt>rcu_read_lock()</tt> could be inlined, however, doing
2742 this requires resolving <tt>#include</tt> issues with the
2743 <tt>task_struct</tt> structure.
2744
2745 <p>
2746 The Linux kernel supports hardware configurations with up to
2747 4096 CPUs, which means that RCU must be extremely scalable.
2748 Algorithms that involve frequent acquisitions of global locks or
2749 frequent atomic operations on global variables simply cannot be
2750 tolerated within the RCU implementation.
2751 RCU therefore makes heavy use of a combining tree based on the
2752 <tt>rcu_node</tt> structure.
2753 RCU is required to tolerate all CPUs continuously invoking any
2754 combination of RCU's runtime primitives with minimal per-operation
2755 overhead.
2756 In fact, in many cases, increasing load must <i>decrease</i> the
2757 per-operation overhead, witness the batching optimizations for
2758 <tt>synchronize_rcu()</tt>, <tt>call_rcu()</tt>,
2759 <tt>synchronize_rcu_expedited()</tt>, and <tt>rcu_barrier()</tt>.
2760 As a general rule, RCU must cheerfully accept whatever the
2761 rest of the Linux kernel decides to throw at it.
2762
2763 <p>
2764 The Linux kernel is used for real-time workloads, especially
2765 in conjunction with the
2766 <a href="https://rt.wiki.kernel.org/index.php/Main_Page">-rt patchset</a>.
2767 The real-time-latency response requirements are such that the
2768 traditional approach of disabling preemption across RCU
2769 read-side critical sections is inappropriate.
2770 Kernels built with <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt> therefore
2771 use an RCU implementation that allows RCU read-side critical
2772 sections to be preempted.
2773 This requirement made its presence known after users made it
2774 clear that an earlier
2775 <a href="https://lwn.net/Articles/107930/">real-time patch</a>
2776 did not meet their needs, in conjunction with some
2777 <a href="https://lkml.kernel.org/g/20050318002026.GA2693@us.ibm.com">RCU issues</a>
2778 encountered by a very early version of the -rt patchset.
2779
2780 <p>
2781 In addition, RCU must make do with a sub-100-microsecond real-time latency
2782 budget.
2783 In fact, on smaller systems with the -rt patchset, the Linux kernel
2784 provides sub-20-microsecond real-time latencies for the whole kernel,
2785 including RCU.
2786 RCU's scalability and latency must therefore be sufficient for
2787 these sorts of configurations.
2788 To my surprise, the sub-100-microsecond real-time latency budget
2789 <a href="http://www.rdrop.com/users/paulmck/realtime/paper/bigrt.2013.01.31a.LCA.pdf">
2790 applies to even the largest systems [PDF]</a>,
2791 up to and including systems with 4096 CPUs.
2792 This real-time requirement motivated the grace-period kthread, which
2793 also simplified handling of a number of race conditions.
2794
2795 <p>
2796 RCU must avoid degrading real-time response for CPU-bound threads, whether
2797 executing in usermode (which is one use case for
2798 <tt>CONFIG_NO_HZ_FULL=y</tt>) or in the kernel.
2799 That said, CPU-bound loops in the kernel must execute
2800 <tt>cond_resched_rcu_qs()</tt> at least once per few tens of milliseconds
2801 in order to avoid receiving an IPI from RCU.
2802
2803 <p>
2804 Finally, RCU's status as a synchronization primitive means that
2805 any RCU failure can result in arbitrary memory corruption that can be
2806 extremely difficult to debug.
2807 This means that RCU must be extremely reliable, which in
2808 practice also means that RCU must have an aggressive stress-test
2809 suite.
2810 This stress-test suite is called <tt>rcutorture</tt>.
2811
2812 <p>
2813 Although the need for <tt>rcutorture</tt> was no surprise,
2814 the current immense popularity of the Linux kernel is posing
2815 interesting&mdash;and perhaps unprecedented&mdash;validation
2816 challenges.
2817 To see this, keep in mind that there are well over one billion
2818 instances of the Linux kernel running today, given Android
2819 smartphones, Linux-powered televisions, and servers.
2820 This number can be expected to increase sharply with the advent of
2821 the celebrated Internet of Things.
2822
2823 <p>
2824 Suppose that RCU contains a race condition that manifests on average
2825 once per million years of runtime.
2826 This bug will be occurring about three times per <i>day</i> across
2827 the installed base.
2828 RCU could simply hide behind hardware error rates, given that no one
2829 should really expect their smartphone to last for a million years.
2830 However, anyone taking too much comfort from this thought should
2831 consider the fact that in most jurisdictions, a successful multi-year
2832 test of a given mechanism, which might include a Linux kernel,
2833 suffices for a number of types of safety-critical certifications.
2834 In fact, rumor has it that the Linux kernel is already being used
2835 in production for safety-critical applications.
2836 I don't know about you, but I would feel quite bad if a bug in RCU
2837 killed someone.
2838 Which might explain my recent focus on validation and verification.
2839
2840 <h2><a name="Other RCU Flavors">Other RCU Flavors</a></h2>
2841
2842 <p>
2843 One of the more surprising things about RCU is that there are now
2844 no fewer than five <i>flavors</i>, or API families.
2845 In addition, the primary flavor that has been the sole focus up to
2846 this point has two different implementations, non-preemptible and
2847 preemptible.
2848 The other four flavors are listed below, with requirements for each
2849 described in a separate section.
2850
2851 <ol>
2852 <li>    <a href="#Bottom-Half Flavor">Bottom-Half Flavor</a>
2853 <li>    <a href="#Sched Flavor">Sched Flavor</a>
2854 <li>    <a href="#Sleepable RCU">Sleepable RCU</a>
2855 <li>    <a href="#Tasks RCU">Tasks RCU</a>
2856 <li>    <a href="#Waiting for Multiple Grace Periods">
2857         Waiting for Multiple Grace Periods</a>
2858 </ol>
2859
2860 <h3><a name="Bottom-Half Flavor">Bottom-Half Flavor</a></h3>
2861
2862 <p>
2863 The softirq-disable (AKA &ldquo;bottom-half&rdquo;,
2864 hence the &ldquo;_bh&rdquo; abbreviations)
2865 flavor of RCU, or <i>RCU-bh</i>, was developed by
2866 Dipankar Sarma to provide a flavor of RCU that could withstand the
2867 network-based denial-of-service attacks researched by Robert
2868 Olsson.
2869 These attacks placed so much networking load on the system
2870 that some of the CPUs never exited softirq execution,
2871 which in turn prevented those CPUs from ever executing a context switch,
2872 which, in the RCU implementation of that time, prevented grace periods
2873 from ever ending.
2874 The result was an out-of-memory condition and a system hang.
2875
2876 <p>
2877 The solution was the creation of RCU-bh, which does
2878 <tt>local_bh_disable()</tt>
2879 across its read-side critical sections, and which uses the transition
2880 from one type of softirq processing to another as a quiescent state
2881 in addition to context switch, idle, user mode, and offline.
2882 This means that RCU-bh grace periods can complete even when some of
2883 the CPUs execute in softirq indefinitely, thus allowing algorithms
2884 based on RCU-bh to withstand network-based denial-of-service attacks.
2885
2886 <p>
2887 Because
2888 <tt>rcu_read_lock_bh()</tt> and <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>
2889 disable and re-enable softirq handlers, any attempt to start a softirq
2890 handlers during the
2891 RCU-bh read-side critical section will be deferred.
2892 In this case, <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>
2893 will invoke softirq processing, which can take considerable time.
2894 One can of course argue that this softirq overhead should be associated
2895 with the code following the RCU-bh read-side critical section rather
2896 than <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>, but the fact
2897 is that most profiling tools cannot be expected to make this sort
2898 of fine distinction.
2899 For example, suppose that a three-millisecond-long RCU-bh read-side
2900 critical section executes during a time of heavy networking load.
2901 There will very likely be an attempt to invoke at least one softirq
2902 handler during that three milliseconds, but any such invocation will
2903 be delayed until the time of the <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>.
2904 This can of course make it appear at first glance as if
2905 <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt> was executing very slowly.
2906
2907 <p>
2908 The
2909 <a href="https://lwn.net/Articles/609973/#RCU Per-Flavor API Table">RCU-bh API</a>
2910 includes
2911 <tt>rcu_read_lock_bh()</tt>,
2912 <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>,
2913 <tt>rcu_dereference_bh()</tt>,
2914 <tt>rcu_dereference_bh_check()</tt>,
2915 <tt>synchronize_rcu_bh()</tt>,
2916 <tt>synchronize_rcu_bh_expedited()</tt>,
2917 <tt>call_rcu_bh()</tt>,
2918 <tt>rcu_barrier_bh()</tt>, and
2919 <tt>rcu_read_lock_bh_held()</tt>.
2920
2921 <h3><a name="Sched Flavor">Sched Flavor</a></h3>
2922
2923 <p>
2924 Before preemptible RCU, waiting for an RCU grace period had the
2925 side effect of also waiting for all pre-existing interrupt
2926 and NMI handlers.
2927 However, there are legitimate preemptible-RCU implementations that
2928 do not have this property, given that any point in the code outside
2929 of an RCU read-side critical section can be a quiescent state.
2930 Therefore, <i>RCU-sched</i> was created, which follows &ldquo;classic&rdquo;
2931 RCU in that an RCU-sched grace period waits for for pre-existing
2932 interrupt and NMI handlers.
2933 In kernels built with <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>, the RCU and RCU-sched
2934 APIs have identical implementations, while kernels built with
2935 <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt> provide a separate implementation for each.
2936
2937 <p>
2938 Note well that in <tt>CONFIG_PREEMPT=y</tt> kernels,
2939 <tt>rcu_read_lock_sched()</tt> and <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt>
2940 disable and re-enable preemption, respectively.
2941 This means that if there was a preemption attempt during the
2942 RCU-sched read-side critical section, <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt>
2943 will enter the scheduler, with all the latency and overhead entailed.
2944 Just as with <tt>rcu_read_unlock_bh()</tt>, this can make it look
2945 as if <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt> was executing very slowly.
2946 However, the highest-priority task won't be preempted, so that task
2947 will enjoy low-overhead <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt> invocations.
2948
2949 <p>
2950 The
2951 <a href="https://lwn.net/Articles/609973/#RCU Per-Flavor API Table">RCU-sched API</a>
2952 includes
2953 <tt>rcu_read_lock_sched()</tt>,
2954 <tt>rcu_read_unlock_sched()</tt>,
2955 <tt>rcu_read_lock_sched_notrace()</tt>,
2956 <tt>rcu_read_unlock_sched_notrace()</tt>,
2957 <tt>rcu_dereference_sched()</tt>,
2958 <tt>rcu_dereference_sched_check()</tt>,
2959 <tt>synchronize_sched()</tt>,
2960 <tt>synchronize_rcu_sched_expedited()</tt>,
2961 <tt>call_rcu_sched()</tt>,
2962 <tt>rcu_barrier_sched()</tt>, and
2963 <tt>rcu_read_lock_sched_held()</tt>.
2964 However, anything that disables preemption also marks an RCU-sched
2965 read-side critical section, including
2966 <tt>preempt_disable()</tt> and <tt>preempt_enable()</tt>,
2967 <tt>local_irq_save()</tt> and <tt>local_irq_restore()</tt>,
2968 and so on.
2969
2970 <h3><a name="Sleepable RCU">Sleepable RCU</a></h3>
2971
2972 <p>
2973 For well over a decade, someone saying &ldquo;I need to block within
2974 an RCU read-side critical section&rdquo; was a reliable indication
2975 that this someone did not understand RCU.
2976 After all, if you are always blocking in an RCU read-side critical
2977 section, you can probably afford to use a higher-overhead synchronization
2978 mechanism.
2979 However, that changed with the advent of the Linux kernel's notifiers,
2980 whose RCU read-side critical
2981 sections almost never sleep, but sometimes need to.
2982 This resulted in the introduction of
2983 <a href="https://lwn.net/Articles/202847/">sleepable RCU</a>,
2984 or <i>SRCU</i>.
2985
2986 <p>
2987 SRCU allows different domains to be defined, with each such domain
2988 defined by an instance of an <tt>srcu_struct</tt> structure.
2989 A pointer to this structure must be passed in to each SRCU function,
2990 for example, <tt>synchronize_srcu(&amp;ss)</tt>, where
2991 <tt>ss</tt> is the <tt>srcu_struct</tt> structure.
2992 The key benefit of these domains is that a slow SRCU reader in one
2993 domain does not delay an SRCU grace period in some other domain.
2994 That said, one consequence of these domains is that read-side code
2995 must pass a &ldquo;cookie&rdquo; from <tt>srcu_read_lock()</tt>
2996 to <tt>srcu_read_unlock()</tt>, for example, as follows:
2997
2998 <blockquote>
2999 <pre>
3000  1 int idx;
3001  2
3002  3 idx = srcu_read_lock(&amp;ss);
3003  4 do_something();
3004  5 srcu_read_unlock(&amp;ss, idx);
3005 </pre>
3006 </blockquote>
3007
3008 <p>
3009 As noted above, it is legal to block within SRCU read-side critical sections,
3010 however, with great power comes great responsibility.
3011 If you block forever in one of a given domain's SRCU read-side critical
3012 sections, then that domain's grace periods will also be blocked forever.
3013 Of course, one good way to block forever is to deadlock, which can
3014 happen if any operation in a given domain's SRCU read-side critical
3015 section can block waiting, either directly or indirectly, for that domain's
3016 grace period to elapse.
3017 For example, this results in a self-deadlock:
3018
3019 <blockquote>
3020 <pre>
3021  1 int idx;
3022  2
3023  3 idx = srcu_read_lock(&amp;ss);
3024  4 do_something();
3025  5 synchronize_srcu(&amp;ss);
3026  6 srcu_read_unlock(&amp;ss, idx);
3027 </pre>
3028 </blockquote>
3029
3030 <p>
3031 However, if line&nbsp;5 acquired a mutex that was held across
3032 a <tt>synchronize_srcu()</tt> for domain <tt>ss</tt>,
3033 deadlock would still be possible.
3034 Furthermore, if line&nbsp;5 acquired a mutex that was held across
3035 a <tt>synchronize_srcu()</tt> for some other domain <tt>ss1</tt>,
3036 and if an <tt>ss1</tt>-domain SRCU read-side critical section
3037 acquired another mutex that was held across as <tt>ss</tt>-domain
3038 <tt>synchronize_srcu()</tt>,
3039 deadlock would again be possible.
3040 Such a deadlock cycle could extend across an arbitrarily large number
3041 of different SRCU domains.
3042 Again, with great power comes great responsibility.
3043
3044 <p>
3045 Unlike the other RCU flavors, SRCU read-side critical sections can
3046 run on idle and even offline CPUs.
3047 This ability requires that <tt>srcu_read_lock()</tt> and
3048 <tt>srcu_read_unlock()</tt> contain memory barriers, which means
3049 that SRCU readers will run a bit slower than would RCU readers.
3050 It also motivates the <tt>smp_mb__after_srcu_read_unlock()</tt>
3051 API, which, in combination with <tt>srcu_read_unlock()</tt>,
3052 guarantees a full memory barrier.
3053
3054 <p>
3055 Also unlike other RCU flavors, SRCU's callbacks-wait function
3056 <tt>srcu_barrier()</tt> may be invoked from CPU-hotplug notifiers,
3057 though this is not necessarily a good idea.
3058 The reason that this is possible is that SRCU is insensitive
3059 to whether or not a CPU is online, which means that <tt>srcu_barrier()</tt>
3060 need not exclude CPU-hotplug operations.
3061
3062 <p>
3063 SRCU also differs from other RCU flavors in that SRCU's expedited and
3064 non-expedited grace periods are implemented by the same mechanism.
3065 This means that in the current SRCU implementation, expediting a
3066 future grace period has the side effect of expediting all prior
3067 grace periods that have not yet completed.
3068 (But please note that this is a property of the current implementation,
3069 not necessarily of future implementations.)
3070 In addition, if SRCU has been idle for longer than the interval
3071 specified by the <tt>srcutree.exp_holdoff</tt> kernel boot parameter
3072 (25&nbsp;microseconds by default),
3073 and if a <tt>synchronize_srcu()</tt> invocation ends this idle period,
3074 that invocation will be automatically expedited.
3075
3076 <p>
3077 As of v4.12, SRCU's callbacks are maintained per-CPU, eliminating
3078 a locking bottleneck present in prior kernel versions.
3079 Although this will allow users to put much heavier stress on
3080 <tt>call_srcu()</tt>, it is important to note that SRCU does not
3081 yet take any special steps to deal with callback flooding.
3082 So if you are posting (say) 10,000 SRCU callbacks per second per CPU,
3083 you are probably totally OK, but if you intend to post (say) 1,000,000
3084 SRCU callbacks per second per CPU, please run some tests first.
3085 SRCU just might need a few adjustment to deal with that sort of load.
3086 Of course, your mileage may vary based on the speed of your CPUs and
3087 the size of your memory.
3088
3089 <p>
3090 The
3091 <a href="https://lwn.net/Articles/609973/#RCU Per-Flavor API Table">SRCU API</a>
3092 includes
3093 <tt>srcu_read_lock()</tt>,
3094 <tt>srcu_read_unlock()</tt>,
3095 <tt>srcu_dereference()</tt>,
3096 <tt>srcu_dereference_check()</tt>,
3097 <tt>synchronize_srcu()</tt>,
3098 <tt>synchronize_srcu_expedited()</tt>,
3099 <tt>call_srcu()</tt>,
3100 <tt>srcu_barrier()</tt>, and
3101 <tt>srcu_read_lock_held()</tt>.
3102 It also includes
3103 <tt>DEFINE_SRCU()</tt>,
3104 <tt>DEFINE_STATIC_SRCU()</tt>, and
3105 <tt>init_srcu_struct()</tt>
3106 APIs for defining and initializing <tt>srcu_struct</tt> structures.
3107
3108 <h3><a name="Tasks RCU">Tasks RCU</a></h3>
3109
3110 <p>
3111 Some forms of tracing use &ldquo;trampolines&rdquo; to handle the
3112 binary rewriting required to install different types of probes.
3113 It would be good to be able to free old trampolines, which sounds
3114 like a job for some form of RCU.
3115 However, because it is necessary to be able to install a trace
3116 anywhere in the code, it is not possible to use read-side markers
3117 such as <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>.
3118 In addition, it does not work to have these markers in the trampoline
3119 itself, because there would need to be instructions following
3120 <tt>rcu_read_unlock()</tt>.
3121 Although <tt>synchronize_rcu()</tt> would guarantee that execution
3122 reached the <tt>rcu_read_unlock()</tt>, it would not be able to
3123 guarantee that execution had completely left the trampoline.
3124
3125 <p>
3126 The solution, in the form of
3127 <a href="https://lwn.net/Articles/607117/"><i>Tasks RCU</i></a>,
3128 is to have implicit
3129 read-side critical sections that are delimited by voluntary context
3130 switches, that is, calls to <tt>schedule()</tt>,
3131 <tt>cond_resched_rcu_qs()</tt>, and
3132 <tt>synchronize_rcu_tasks()</tt>.
3133 In addition, transitions to and from userspace execution also delimit
3134 tasks-RCU read-side critical sections.
3135
3136 <p>
3137 The tasks-RCU API is quite compact, consisting only of
3138 <tt>call_rcu_tasks()</tt>,
3139 <tt>synchronize_rcu_tasks()</tt>, and
3140 <tt>rcu_barrier_tasks()</tt>.
3141
3142 <h3><a name="Waiting for Multiple Grace Periods">
3143 Waiting for Multiple Grace Periods</a></h3>
3144
3145 <p>
3146 Perhaps you have an RCU protected data structure that is accessed from
3147 RCU read-side critical sections, from softirq handlers, and from
3148 hardware interrupt handlers.
3149 That is three flavors of RCU, the normal flavor, the bottom-half flavor,
3150 and the sched flavor.
3151 How to wait for a compound grace period?
3152
3153 <p>
3154 The best approach is usually to &ldquo;just say no!&rdquo; and
3155 insert <tt>rcu_read_lock()</tt> and <tt>rcu_read_unlock()</tt>
3156 around each RCU read-side critical section, regardless of what
3157 environment it happens to be in.
3158 But suppose that some of the RCU read-side critical sections are
3159 on extremely hot code paths, and that use of <tt>CONFIG_PREEMPT=n</tt>
3160 is not a viable option, so that <tt>rcu_read_lock()</tt> and
3161 <tt>rcu_read_unlock()</tt> are not free.
3162 What then?
3163
3164 <p>
3165 You <i>could</i> wait on all three grace periods in succession, as follows:
3166
3167 <blockquote>
3168 <pre>
3169  1 synchronize_rcu();
3170  2 synchronize_rcu_bh();
3171  3 synchronize_sched();
3172 </pre>
3173 </blockquote>
3174
3175 <p>
3176 This works, but triples the update-side latency penalty.
3177 In cases where this is not acceptable, <tt>synchronize_rcu_mult()</tt>
3178 may be used to wait on all three flavors of grace period concurrently:
3179
3180 <blockquote>
3181 <pre>
3182  1 synchronize_rcu_mult(call_rcu, call_rcu_bh, call_rcu_sched);
3183 </pre>
3184 </blockquote>
3185
3186 <p>
3187 But what if it is necessary to also wait on SRCU?
3188 This can be done as follows:
3189
3190 <blockquote>
3191 <pre>
3192  1 static void call_my_srcu(struct rcu_head *head,
3193  2        void (*func)(struct rcu_head *head))
3194  3 {
3195  4   call_srcu(&amp;my_srcu, head, func);
3196  5 }
3197  6
3198  7 synchronize_rcu_mult(call_rcu, call_rcu_bh, call_rcu_sched, call_my_srcu);
3199 </pre>
3200 </blockquote>
3201
3202 <p>
3203 If you needed to wait on multiple different flavors of SRCU
3204 (but why???), you would need to create a wrapper function resembling
3205 <tt>call_my_srcu()</tt> for each SRCU flavor.
3206
3207 <table>
3208 <tr><th>&nbsp;</th></tr>
3209 <tr><th align="left">Quick Quiz:</th></tr>
3210 <tr><td>
3211         But what if I need to wait for multiple RCU flavors, but I also need
3212         the grace periods to be expedited?
3213 </td></tr>
3214 <tr><th align="left">Answer:</th></tr>
3215 <tr><td bgcolor="#ffffff"><font color="ffffff">
3216         If you are using expedited grace periods, there should be less penalty
3217         for waiting on them in succession.
3218         But if that is nevertheless a problem, you can use workqueues
3219         or multiple kthreads to wait on the various expedited grace
3220         periods concurrently.
3221 </font></td></tr>
3222 <tr><td>&nbsp;</td></tr>
3223 </table>
3224
3225 <p>
3226 Again, it is usually better to adjust the RCU read-side critical sections
3227 to use a single flavor of RCU, but when this is not feasible, you can use
3228 <tt>synchronize_rcu_mult()</tt>.
3229
3230 <h2><a name="Possible Future Changes">Possible Future Changes</a></h2>
3231
3232 <p>
3233 One of the tricks that RCU uses to attain update-side scalability is
3234 to increase grace-period latency with increasing numbers of CPUs.
3235 If this becomes a serious problem, it will be necessary to rework the
3236 grace-period state machine so as to avoid the need for the additional
3237 latency.
3238
3239 <p>
3240 Expedited grace periods scan the CPUs, so their latency and overhead
3241 increases with increasing numbers of CPUs.
3242 If this becomes a serious problem on large systems, it will be necessary
3243 to do some redesign to avoid this scalability problem.
3244
3245 <p>
3246 RCU disables CPU hotplug in a few places, perhaps most notably in the
3247 <tt>rcu_barrier()</tt> operations.
3248 If there is a strong reason to use <tt>rcu_barrier()</tt> in CPU-hotplug
3249 notifiers, it will be necessary to avoid disabling CPU hotplug.
3250 This would introduce some complexity, so there had better be a <i>very</i>
3251 good reason.
3252
3253 <p>
3254 The tradeoff between grace-period latency on the one hand and interruptions
3255 of other CPUs on the other hand may need to be re-examined.
3256 The desire is of course for zero grace-period latency as well as zero
3257 interprocessor interrupts undertaken during an expedited grace period
3258 operation.
3259 While this ideal is unlikely to be achievable, it is quite possible that
3260 further improvements can be made.
3261
3262 <p>
3263 The multiprocessor implementations of RCU use a combining tree that
3264 groups CPUs so as to reduce lock contention and increase cache locality.
3265 However, this combining tree does not spread its memory across NUMA
3266 nodes nor does it align the CPU groups with hardware features such
3267 as sockets or cores.
3268 Such spreading and alignment is currently believed to be unnecessary
3269 because the hotpath read-side primitives do not access the combining
3270 tree, nor does <tt>call_rcu()</tt> in the common case.
3271 If you believe that your architecture needs such spreading and alignment,
3272 then your architecture should also benefit from the
3273 <tt>rcutree.rcu_fanout_leaf</tt> boot parameter, which can be set
3274 to the number of CPUs in a socket, NUMA node, or whatever.
3275 If the number of CPUs is too large, use a fraction of the number of
3276 CPUs.
3277 If the number of CPUs is a large prime number, well, that certainly
3278 is an &ldquo;interesting&rdquo; architectural choice!
3279 More flexible arrangements might be considered, but only if
3280 <tt>rcutree.rcu_fanout_leaf</tt> has proven inadequate, and only
3281 if the inadequacy has been demonstrated by a carefully run and
3282 realistic system-level workload.
3283
3284 <p>
3285 Please note that arrangements that require RCU to remap CPU numbers will
3286 require extremely good demonstration of need and full exploration of
3287 alternatives.
3288
3289 <p>
3290 There is an embarrassingly large number of flavors of RCU, and this
3291 number has been increasing over time.
3292 Perhaps it will be possible to combine some at some future date.
3293
3294 <p>
3295 RCU's various kthreads are reasonably recent additions.
3296 It is quite likely that adjustments will be required to more gracefully
3297 handle extreme loads.
3298 It might also be necessary to be able to relate CPU utilization by
3299 RCU's kthreads and softirq handlers to the code that instigated this
3300 CPU utilization.
3301 For example, RCU callback overhead might be charged back to the
3302 originating <tt>call_rcu()</tt> instance, though probably not
3303 in production kernels.
3304
3305 <h2><a name="Summary">Summary</a></h2>
3306
3307 <p>
3308 This document has presented more than two decade's worth of RCU
3309 requirements.
3310 Given that the requirements keep changing, this will not be the last
3311 word on this subject, but at least it serves to get an important
3312 subset of the requirements set forth.
3313
3314 <h2><a name="Acknowledgments">Acknowledgments</a></h2>
3315
3316 I am grateful to Steven Rostedt, Lai Jiangshan, Ingo Molnar,
3317 Oleg Nesterov, Borislav Petkov, Peter Zijlstra, Boqun Feng, and
3318 Andy Lutomirski for their help in rendering
3319 this article human readable, and to Michelle Rankin for her support
3320 of this effort.
3321 Other contributions are acknowledged in the Linux kernel's git archive.
3322
3323 </body></html>