Merge branch 'work.compat' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/viro/vfs
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / RCU / whatisRCU.txt
1 What is RCU?  --  "Read, Copy, Update"
2
3 Please note that the "What is RCU?" LWN series is an excellent place
4 to start learning about RCU:
5
6 1.      What is RCU, Fundamentally?  http://lwn.net/Articles/262464/
7 2.      What is RCU? Part 2: Usage   http://lwn.net/Articles/263130/
8 3.      RCU part 3: the RCU API      http://lwn.net/Articles/264090/
9 4.      The RCU API, 2010 Edition    http://lwn.net/Articles/418853/
10         2010 Big API Table           http://lwn.net/Articles/419086/
11 5.      The RCU API, 2014 Edition    http://lwn.net/Articles/609904/
12         2014 Big API Table           http://lwn.net/Articles/609973/
13
14
15 What is RCU?
16
17 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
18 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
19 situations.  Although RCU is actually quite simple once you understand it,
20 getting there can sometimes be a challenge.  Part of the problem is that
21 most of the past descriptions of RCU have been written with the mistaken
22 assumption that there is "one true way" to describe RCU.  Instead,
23 the experience has been that different people must take different paths
24 to arrive at an understanding of RCU.  This document provides several
25 different paths, as follows:
26
27 1.      RCU OVERVIEW
28 2.      WHAT IS RCU'S CORE API?
29 3.      WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
30 4.      WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
31 5.      WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
32 6.      ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
33 7.      FULL LIST OF RCU APIs
34 8.      ANSWERS TO QUICK QUIZZES
35
36 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
37 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
38 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
39 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
40 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
41 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
42 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
43 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
44 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
45
46 So, start with the section that makes the most sense to you and your
47 preferred method of learning.  If you need to know everything about
48 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
49 that type of person, you have perused the source code and will therefore
50 never need this document anyway.  ;-)
51
52
53 1.  RCU OVERVIEW
54
55 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
56 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
57 within a data structure (possibly by replacing them with references to
58 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
59 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
60 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
61 either the old or the new version of the data structure rather than a
62 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
63 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
64 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
65 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
66 not start until readers no longer hold references to those data items.
67
68 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
69 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
70 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
71 completed, either by blocking until they finish or by registering a
72 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
73 during the removal phase need be considered, because any reader starting
74 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
75 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
76
77 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
78
79 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
80         readers cannot gain a reference to it.
81
82 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
83         critical sections.
84
85 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
86         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
87         (e.g., kfree()d).
88
89 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
90 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
91 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
92 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
93 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
94 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
95 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
96 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
97 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
98 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
99 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
100 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
101 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
102 and communications cache misses that are so expensive on present-day
103 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
104
105 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
106 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
107 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
108 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
109 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
110 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
111 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
112 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
113 and reclaimers, namely, in step (b) above.
114
115 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
116 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
117 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
118
119
120 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
121
122 The core RCU API is quite small:
123
124 a.      rcu_read_lock()
125 b.      rcu_read_unlock()
126 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
127 d.      rcu_assign_pointer()
128 e.      rcu_dereference()
129
130 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
131 expressed in terms of these five, though most implementations instead
132 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
133
134 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
135 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
136 at the function header comments.
137
138 rcu_read_lock()
139
140         void rcu_read_lock(void);
141
142         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
143         entering an RCU read-side critical section.  It is illegal
144         to block while in an RCU read-side critical section, though
145         kernels built with CONFIG_PREEMPT_RCU can preempt RCU
146         read-side critical sections.  Any RCU-protected data structure
147         accessed during an RCU read-side critical section is guaranteed to
148         remain unreclaimed for the full duration of that critical section.
149         Reference counts may be used in conjunction with RCU to maintain
150         longer-term references to data structures.
151
152 rcu_read_unlock()
153
154         void rcu_read_unlock(void);
155
156         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
157         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
158         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
159
160 synchronize_rcu()
161
162         void synchronize_rcu(void);
163
164         Marks the end of updater code and the beginning of reclaimer
165         code.  It does this by blocking until all pre-existing RCU
166         read-side critical sections on all CPUs have completed.
167         Note that synchronize_rcu() will -not- necessarily wait for
168         any subsequent RCU read-side critical sections to complete.
169         For example, consider the following sequence of events:
170
171                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
172              ----------------- ------------------------- ---------------
173          1.  rcu_read_lock()
174          2.                    enters synchronize_rcu()
175          3.                                               rcu_read_lock()
176          4.  rcu_read_unlock()
177          5.                     exits synchronize_rcu()
178          6.                                              rcu_read_unlock()
179
180         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
181         read-side critical sections to complete, not necessarily for
182         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
183
184         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
185         -immediately- after the last pre-existing RCU read-side critical
186         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
187         delays.  For another thing, many RCU implementations process
188         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
189         further delay synchronize_rcu().
190
191         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
192         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
193         to be useful in all but the most read-intensive situations,
194         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
195
196         The call_rcu() API is a callback form of synchronize_rcu(),
197         and is described in more detail in a later section.  Instead of
198         blocking, it registers a function and argument which are invoked
199         after all ongoing RCU read-side critical sections have completed.
200         This callback variant is particularly useful in situations where
201         it is illegal to block or where update-side performance is
202         critically important.
203
204         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
205         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
206         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
207         of automatically limiting update rate should grace periods
208         be delayed.  This property results in system resilience in face
209         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
210         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
211         checklist.txt for some approaches to limiting the update rate.
212
213 rcu_assign_pointer()
214
215         typeof(p) rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
216
217         Yes, rcu_assign_pointer() -is- implemented as a macro, though it
218         would be cool to be able to declare a function in this manner.
219         (Compiler experts will no doubt disagree.)
220
221         The updater uses this function to assign a new value to an
222         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
223         in value from the updater to the reader.  This function returns
224         the new value, and also executes any memory-barrier instructions
225         required for a given CPU architecture.
226
227         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
228         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
229         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
230         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
231         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
232
233 rcu_dereference()
234
235         typeof(p) rcu_dereference(p);
236
237         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
238         as a macro.
239
240         The reader uses rcu_dereference() to fetch an RCU-protected
241         pointer, which returns a value that may then be safely
242         dereferenced.  Note that rcu_dereference() does not actually
243         dereference the pointer, instead, it protects the pointer for
244         later dereferencing.  It also executes any needed memory-barrier
245         instructions for a given CPU architecture.  Currently, only Alpha
246         needs memory barriers within rcu_dereference() -- on other CPUs,
247         it compiles to nothing, not even a compiler directive.
248
249         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
250         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
251         this local variable, for example as follows:
252
253                 p = rcu_dereference(head.next);
254                 return p->data;
255
256         However, in this case, one could just as easily combine these
257         into one statement:
258
259                 return rcu_dereference(head.next)->data;
260
261         If you are going to be fetching multiple fields from the
262         RCU-protected structure, using the local variable is of
263         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
264         ugly, do not guarantee that the same pointer will be returned
265         if an update happened while in the critical section, and incur
266         unnecessary overhead on Alpha CPUs.
267
268         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
269         only within the enclosing RCU read-side critical section.
270         For example, the following is -not- legal:
271
272                 rcu_read_lock();
273                 p = rcu_dereference(head.next);
274                 rcu_read_unlock();
275                 x = p->address; /* BUG!!! */
276                 rcu_read_lock();
277                 y = p->data;    /* BUG!!! */
278                 rcu_read_unlock();
279
280         Holding a reference from one RCU read-side critical section
281         to another is just as illegal as holding a reference from
282         one lock-based critical section to another!  Similarly,
283         using a reference outside of the critical section in which
284         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
285         locking.
286
287         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
288         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
289         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
290         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
291         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
292         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
293         primitives, such as list_for_each_entry_rcu().
294
295 The following diagram shows how each API communicates among the
296 reader, updater, and reclaimer.
297
298
299             rcu_assign_pointer()
300                                     +--------+
301             +---------------------->| reader |---------+
302             |                       +--------+         |
303             |                           |              |
304             |                           |              | Protect:
305             |                           |              | rcu_read_lock()
306             |                           |              | rcu_read_unlock()
307             |        rcu_dereference()  |              |
308        +---------+                      |              |
309        | updater |<---------------------+              |
310        +---------+                                     V
311             |                                    +-----------+
312             +----------------------------------->| reclaimer |
313                                                  +-----------+
314               Defer:
315               synchronize_rcu() & call_rcu()
316
317
318 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
319 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
320 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
321 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
322 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
323 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
324
325 There are no fewer than three RCU mechanisms in the Linux kernel; the
326 diagram above shows the first one, which is by far the most commonly used.
327 The rcu_dereference() and rcu_assign_pointer() primitives are used for
328 all three mechanisms, but different defer and protect primitives are
329 used as follows:
330
331         Defer                   Protect
332
333 a.      synchronize_rcu()       rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
334         call_rcu()              rcu_dereference()
335
336 b.      synchronize_rcu_bh()    rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
337         call_rcu_bh()           rcu_dereference_bh()
338
339 c.      synchronize_sched()     rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
340         call_rcu_sched()        preempt_disable() / preempt_enable()
341                                 local_irq_save() / local_irq_restore()
342                                 hardirq enter / hardirq exit
343                                 NMI enter / NMI exit
344                                 rcu_dereference_sched()
345
346 These three mechanisms are used as follows:
347
348 a.      RCU applied to normal data structures.
349
350 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
351         to remote denial-of-service attacks.
352
353 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
354
355 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
356 for specialized uses, but are relatively uncommon.
357
358
359 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
360
361 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
362 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
363 uses of RCU may be found in listRCU.txt, arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
364
365         struct foo {
366                 int a;
367                 char b;
368                 long c;
369         };
370         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
371
372         struct foo __rcu *gbl_foo;
373
374         /*
375          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
376          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
377          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
378          * frees up the old structure after a grace period.
379          *
380          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
381          * see the initialized version of the new structure.
382          *
383          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
384          * have references to the old structure complete before freeing
385          * the old structure.
386          */
387         void foo_update_a(int new_a)
388         {
389                 struct foo *new_fp;
390                 struct foo *old_fp;
391
392                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
393                 spin_lock(&foo_mutex);
394                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
395                 *new_fp = *old_fp;
396                 new_fp->a = new_a;
397                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
398                 spin_unlock(&foo_mutex);
399                 synchronize_rcu();
400                 kfree(old_fp);
401         }
402
403         /*
404          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
405          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
406          * to ensure that the structure does not get deleted out
407          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
408          * we see the initialized version of the structure (important
409          * for DEC Alpha and for people reading the code).
410          */
411         int foo_get_a(void)
412         {
413                 int retval;
414
415                 rcu_read_lock();
416                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
417                 rcu_read_unlock();
418                 return retval;
419         }
420
421 So, to sum up:
422
423 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
424         read-side critical sections.
425
426 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
427         to dereference RCU-protected pointers.
428
429 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
430         keep concurrent updates from interfering with each other.
431
432 o       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
433         This primitive protects concurrent readers from the updater,
434         -not- concurrent updates from each other!  You therefore still
435         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
436         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
437
438 o       Use synchronize_rcu() -after- removing a data element from an
439         RCU-protected data structure, but -before- reclaiming/freeing
440         the data element, in order to wait for the completion of all
441         RCU read-side critical sections that might be referencing that
442         data item.
443
444 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
445 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.txt,
446 arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
447
448
449 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
450
451 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
452 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
453 long -- there might be other high-priority work to be done.
454
455 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
456 The call_rcu() API is as follows:
457
458         void call_rcu(struct rcu_head * head,
459                       void (*func)(struct rcu_head *head));
460
461 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
462 This invocation might happen from either softirq or process context,
463 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
464 have an rcu_head structure added, perhaps as follows:
465
466         struct foo {
467                 int a;
468                 char b;
469                 long c;
470                 struct rcu_head rcu;
471         };
472
473 The foo_update_a() function might then be written as follows:
474
475         /*
476          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
477          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
478          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
479          * frees up the old structure after a grace period.
480          *
481          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
482          * see the initialized version of the new structure.
483          *
484          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
485          * references to the old structure complete before freeing the
486          * old structure.
487          */
488         void foo_update_a(int new_a)
489         {
490                 struct foo *new_fp;
491                 struct foo *old_fp;
492
493                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
494                 spin_lock(&foo_mutex);
495                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
496                 *new_fp = *old_fp;
497                 new_fp->a = new_a;
498                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
499                 spin_unlock(&foo_mutex);
500                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
501         }
502
503 The foo_reclaim() function might appear as follows:
504
505         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
506         {
507                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
508
509                 foo_cleanup(fp->a);
510
511                 kfree(fp);
512         }
513
514 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
515 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
516 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
517
518 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
519 immediately regain control, without needing to worry further about the
520 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
521 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
522 namely foo_reclaim().
523
524 The summary of advice is the same as for the previous section, except
525 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
526
527 o       Use call_rcu() -after- removing a data element from an
528         RCU-protected data structure in order to register a callback
529         function that will be invoked after the completion of all RCU
530         read-side critical sections that might be referencing that
531         data item.
532
533 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
534 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
535 to avoid having to write your own callback:
536
537         kfree_rcu(old_fp, rcu);
538
539 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
540
541
542 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
543
544 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
545 implementations that are a good first step towards understanding the
546 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
547 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
548 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
549 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
550 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
551 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcupdate.c for a
552 production-quality implementation, and see:
553
554         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
555
556 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
557 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
558 more details on the current implementation as of early 2004.
559
560
561 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
562
563 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
564 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
565 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
566 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
567 one read-side critical section to another.  It also assumes recursive
568 reader-writer locks:  If you try this with non-recursive locks, and
569 you allow nested rcu_read_lock() calls, you can deadlock.
570
571 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
572 a good starting point.
573
574 It is extremely simple:
575
576         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
577
578         void rcu_read_lock(void)
579         {
580                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
581         }
582
583         void rcu_read_unlock(void)
584         {
585                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
586         }
587
588         void synchronize_rcu(void)
589         {
590                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
591                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
592         }
593
594 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without missing
595 much.  But here are simplified versions anyway.  And whatever you do,
596 don't forget about them when submitting patches making use of RCU!]
597
598         #define rcu_assign_pointer(p, v) \
599         ({ \
600                 smp_store_release(&(p), (v)); \
601         })
602
603         #define rcu_dereference(p) \
604         ({ \
605                 typeof(p) _________p1 = READ_ONCE(p); \
606                 (_________p1); \
607         })
608
609
610 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
611 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
612 primitive write-acquires this same lock, then immediately releases
613 it.  This means that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side
614 critical sections that were in progress before synchronize_rcu() was
615 called are guaranteed to have completed -- there is no way that
616 synchronize_rcu() would have been able to write-acquire the lock
617 otherwise.
618
619 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
620 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
621 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
622 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
623 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
624 so there can be no deadlock cycle.
625
626 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
627                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
628                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
629
630
631 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
632
633 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
634 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
635 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
636 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
637 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
638
639         void rcu_read_lock(void) { }
640
641         void rcu_read_unlock(void) { }
642
643         void synchronize_rcu(void)
644         {
645                 int cpu;
646
647                 for_each_possible_cpu(cpu)
648                         run_on(cpu);
649         }
650
651 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
652 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
653 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
654 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
655 participate in a deadlock cycle!
656
657 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
658 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
659 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
660 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
661 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
662 "toy", I meant -toy-!
663
664 So how the heck is this supposed to work???
665
666 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
667 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
668 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
669 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
670 RCU read-side critical sections will have completed.
671
672 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
673 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
674 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
675 to that data item, so we can safely reclaim it.
676
677 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
678                 overhead is -negative-.
679
680 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
681                 critical section, what the heck do you do in
682                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
683
684
685 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
686
687 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
688 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
689 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
690
691         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
692                 int data;
693                 /* Other data fields */
694          };
695         -rwlock_t listmutex;
696         +spinlock_t listmutex;
697          struct el head;
698
699         @@ -13,15 +14,15 @@
700                 struct list_head *lp;
701                 struct el *p;
702
703         -       read_lock(&listmutex);
704         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
705         +       rcu_read_lock();
706         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
707                         if (p->key == key) {
708                                 *result = p->data;
709         -                       read_unlock(&listmutex);
710         +                       rcu_read_unlock();
711                                 return 1;
712                         }
713                 }
714         -       read_unlock(&listmutex);
715         +       rcu_read_unlock();
716                 return 0;
717          }
718
719         @@ -29,15 +30,16 @@
720          {
721                 struct el *p;
722
723         -       write_lock(&listmutex);
724         +       spin_lock(&listmutex);
725                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
726                         if (p->key == key) {
727         -                       list_del(&p->list);
728         -                       write_unlock(&listmutex);
729         +                       list_del_rcu(&p->list);
730         +                       spin_unlock(&listmutex);
731         +                       synchronize_rcu();
732                                 kfree(p);
733                                 return 1;
734                         }
735                 }
736         -       write_unlock(&listmutex);
737         +       spin_unlock(&listmutex);
738                 return 0;
739          }
740
741 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
742
743  1 struct el {                          1 struct el {
744  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
745  3   long key;                          3   long key;
746  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
747  5   int data;                          5   int data;
748  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
749  7 };                                   7 };
750  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
751  9 struct el head;                      9 struct el head;
752
753  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
754  2 {                                    2 {
755  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
756  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
757  5                                      5
758  6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
759  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
760  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
761  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
762 10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
763 11       return 1;                     11       return 1;
764 12     }                               12     }
765 13   }                                 13   }
766 14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
767 15   return 0;                         15   return 0;
768 16 }                                   16 }
769
770  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
771  2 {                                    2 {
772  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
773  4                                      4
774  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
775  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
776  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
777  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
778  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
779                                        10       synchronize_rcu();
780 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
781 11       return 1;                     12       return 1;
782 12     }                               13     }
783 13   }                                 14   }
784 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
785 15   return 0;                         16   return 0;
786 16 }                                   17 }
787
788 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
789 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
790 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
791 precedes the kfree().
792
793 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
794 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
795 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
796 For example, if multiple independent list updates must be seen as
797 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
798
799 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
800 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
801 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
802 be used in place of synchronize_rcu().
803
804
805 7.  FULL LIST OF RCU APIs
806
807 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
808 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
809 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
810 in docbook.  Here is the list, by category.
811
812 RCU list traversal:
813
814         list_entry_rcu
815         list_first_entry_rcu
816         list_next_rcu
817         list_for_each_entry_rcu
818         list_for_each_entry_continue_rcu
819         hlist_first_rcu
820         hlist_next_rcu
821         hlist_pprev_rcu
822         hlist_for_each_entry_rcu
823         hlist_for_each_entry_rcu_bh
824         hlist_for_each_entry_continue_rcu
825         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
826         hlist_nulls_first_rcu
827         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
828         hlist_bl_first_rcu
829         hlist_bl_for_each_entry_rcu
830
831 RCU pointer/list update:
832
833         rcu_assign_pointer
834         list_add_rcu
835         list_add_tail_rcu
836         list_del_rcu
837         list_replace_rcu
838         hlist_add_behind_rcu
839         hlist_add_before_rcu
840         hlist_add_head_rcu
841         hlist_del_rcu
842         hlist_del_init_rcu
843         hlist_replace_rcu
844         list_splice_init_rcu()
845         hlist_nulls_del_init_rcu
846         hlist_nulls_del_rcu
847         hlist_nulls_add_head_rcu
848         hlist_bl_add_head_rcu
849         hlist_bl_del_init_rcu
850         hlist_bl_del_rcu
851         hlist_bl_set_first_rcu
852
853 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
854
855         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
856         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
857         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
858         rcu_read_lock_held      call_rcu
859         rcu_dereference_check   kfree_rcu
860         rcu_dereference_protected
861
862 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
863
864         rcu_read_lock_bh        call_rcu_bh             rcu_barrier_bh
865         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu_bh
866         rcu_dereference_bh      synchronize_rcu_bh_expedited
867         rcu_dereference_bh_check
868         rcu_dereference_bh_protected
869         rcu_read_lock_bh_held
870
871 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
872
873         rcu_read_lock_sched     synchronize_sched       rcu_barrier_sched
874         rcu_read_unlock_sched   call_rcu_sched
875         [preempt_disable]       synchronize_sched_expedited
876         [and friends]
877         rcu_read_lock_sched_notrace
878         rcu_read_unlock_sched_notrace
879         rcu_dereference_sched
880         rcu_dereference_sched_check
881         rcu_dereference_sched_protected
882         rcu_read_lock_sched_held
883
884
885 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
886
887         srcu_read_lock          synchronize_srcu        srcu_barrier
888         srcu_read_unlock        call_srcu
889         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
890         srcu_dereference_check
891         srcu_read_lock_held
892
893 SRCU:   Initialization/cleanup
894         DEFINE_SRCU
895         DEFINE_STATIC_SRCU
896         init_srcu_struct
897         cleanup_srcu_struct
898
899 All:  lockdep-checked RCU-protected pointer access
900
901         rcu_access_pointer
902         rcu_dereference_raw
903         RCU_LOCKDEP_WARN
904         rcu_sleep_check
905         RCU_NONIDLE
906
907 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
908 from them) for more information.
909
910 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
911 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
912 list can be helpful:
913
914 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
915
916 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
917         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
918         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
919         necessary.  (The -rt patchset turns spinlocks into sleeplocks,
920         hence this distinction.)
921
922 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
923         and code segments with preemption disabled (whether
924         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
925         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
926         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
927
928 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
929         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
930         example, is your code subject to network-based denial-of-service
931         attacks?  If so, you need RCU-bh.
932
933 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
934         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
935         If so, consider SLAB_TYPESAFE_BY_RCU (which was originally
936         named SLAB_DESTROY_BY_RCU).  But please be careful!
937
938 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
939         even though they are in the middle of the idle loop, during
940         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
941         only choice that will work for you.
942
943 g.      Otherwise, use RCU.
944
945 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
946 the right tool for your job.
947
948
949 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
950
951 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
952                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
953                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
954                 algorithm.]
955
956 Answer:         Consider the following sequence of events:
957
958                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
959                         "problematic_lock", disabling irq via
960                         spin_lock_irqsave().
961
962                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
963                         rcu_gp_mutex.
964
965                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
966                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
967
968                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
969                         attempts to acquire problematic_lock.
970
971                 The system is now deadlocked.
972
973                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
974                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
975                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
976                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
977                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
978                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
979
980                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
981                 allows latency to "bleed" from readers to other
982                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
983                 consider task A in an RCU read-side critical section
984                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
985                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
986                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
987                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
988                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
989                 task B.
990
991                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
992                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
993                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
994
995 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
996                 overhead is -negative-.
997
998 Answer:         Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
999                 kernel where a routing table is used by process-context
1000                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
1001                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
1002                 this would be to have the process-context code disable
1003                 interrupts while searching the routing table.  Use of
1004                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
1005                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
1006                 and with RCU you don't.
1007
1008                 One can argue that the overhead of RCU in this
1009                 case is negative with respect to the single-CPU
1010                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1011                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1012                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1013                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1014                 negative overhead.
1015
1016                 In real life, of course, things are more complex.  But
1017                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1018                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1019
1020 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
1021                 critical section, what the heck do you do in
1022                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1023
1024 Answer:         Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1025                 critical sections, it permits preemption of RCU
1026                 read-side critical sections.  It also permits
1027                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1028                 sections.
1029
1030                 Why the apparent inconsistency?  Because it is it
1031                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1032                 grace periods short if need be (for example, if running
1033                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1034                 for (say) network reception, there is no way to know
1035                 what should be boosted.  Especially given that the
1036                 process we need to boost might well be a human being
1037                 who just went out for a pizza or something.  And although
1038                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1039                 interest, it might also provoke serious objections.
1040                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1041                 the human being went to???
1042
1043
1044 ACKNOWLEDGEMENTS
1045
1046 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1047 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1048
1049
1050 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.