Merge tag 'irqchip-4.16-2' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/maz/arm...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / RCU / whatisRCU.txt
1 Please note that the "What is RCU?" LWN series is an excellent place
2 to start learning about RCU:
3
4 1.      What is RCU, Fundamentally?  http://lwn.net/Articles/262464/
5 2.      What is RCU? Part 2: Usage   http://lwn.net/Articles/263130/
6 3.      RCU part 3: the RCU API      http://lwn.net/Articles/264090/
7 4.      The RCU API, 2010 Edition    http://lwn.net/Articles/418853/
8         2010 Big API Table           http://lwn.net/Articles/419086/
9 5.      The RCU API, 2014 Edition    http://lwn.net/Articles/609904/
10         2014 Big API Table           http://lwn.net/Articles/609973/
11
12
13 What is RCU?
14
15 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
16 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
17 situations.  Although RCU is actually quite simple once you understand it,
18 getting there can sometimes be a challenge.  Part of the problem is that
19 most of the past descriptions of RCU have been written with the mistaken
20 assumption that there is "one true way" to describe RCU.  Instead,
21 the experience has been that different people must take different paths
22 to arrive at an understanding of RCU.  This document provides several
23 different paths, as follows:
24
25 1.      RCU OVERVIEW
26 2.      WHAT IS RCU'S CORE API?
27 3.      WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
28 4.      WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
29 5.      WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
30 6.      ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
31 7.      FULL LIST OF RCU APIs
32 8.      ANSWERS TO QUICK QUIZZES
33
34 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
35 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
36 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
37 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
38 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
39 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
40 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
41 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
42 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
43
44 So, start with the section that makes the most sense to you and your
45 preferred method of learning.  If you need to know everything about
46 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
47 that type of person, you have perused the source code and will therefore
48 never need this document anyway.  ;-)
49
50
51 1.  RCU OVERVIEW
52
53 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
54 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
55 within a data structure (possibly by replacing them with references to
56 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
57 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
58 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
59 either the old or the new version of the data structure rather than a
60 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
61 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
62 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
63 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
64 not start until readers no longer hold references to those data items.
65
66 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
67 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
68 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
69 completed, either by blocking until they finish or by registering a
70 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
71 during the removal phase need be considered, because any reader starting
72 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
73 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
74
75 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
76
77 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
78         readers cannot gain a reference to it.
79
80 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
81         critical sections.
82
83 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
84         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
85         (e.g., kfree()d).
86
87 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
88 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
89 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
90 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
91 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
92 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
93 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
94 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
95 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
96 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
97 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
98 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
99 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
100 and communications cache misses that are so expensive on present-day
101 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
102
103 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
104 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
105 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
106 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
107 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
108 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
109 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
110 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
111 and reclaimers, namely, in step (b) above.
112
113 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
114 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
115 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
116
117
118 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
119
120 The core RCU API is quite small:
121
122 a.      rcu_read_lock()
123 b.      rcu_read_unlock()
124 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
125 d.      rcu_assign_pointer()
126 e.      rcu_dereference()
127
128 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
129 expressed in terms of these five, though most implementations instead
130 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
131
132 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
133 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
134 at the function header comments.
135
136 rcu_read_lock()
137
138         void rcu_read_lock(void);
139
140         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
141         entering an RCU read-side critical section.  It is illegal
142         to block while in an RCU read-side critical section, though
143         kernels built with CONFIG_PREEMPT_RCU can preempt RCU
144         read-side critical sections.  Any RCU-protected data structure
145         accessed during an RCU read-side critical section is guaranteed to
146         remain unreclaimed for the full duration of that critical section.
147         Reference counts may be used in conjunction with RCU to maintain
148         longer-term references to data structures.
149
150 rcu_read_unlock()
151
152         void rcu_read_unlock(void);
153
154         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
155         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
156         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
157
158 synchronize_rcu()
159
160         void synchronize_rcu(void);
161
162         Marks the end of updater code and the beginning of reclaimer
163         code.  It does this by blocking until all pre-existing RCU
164         read-side critical sections on all CPUs have completed.
165         Note that synchronize_rcu() will -not- necessarily wait for
166         any subsequent RCU read-side critical sections to complete.
167         For example, consider the following sequence of events:
168
169                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
170              ----------------- ------------------------- ---------------
171          1.  rcu_read_lock()
172          2.                    enters synchronize_rcu()
173          3.                                               rcu_read_lock()
174          4.  rcu_read_unlock()
175          5.                     exits synchronize_rcu()
176          6.                                              rcu_read_unlock()
177
178         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
179         read-side critical sections to complete, not necessarily for
180         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
181
182         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
183         -immediately- after the last pre-existing RCU read-side critical
184         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
185         delays.  For another thing, many RCU implementations process
186         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
187         further delay synchronize_rcu().
188
189         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
190         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
191         to be useful in all but the most read-intensive situations,
192         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
193
194         The call_rcu() API is a callback form of synchronize_rcu(),
195         and is described in more detail in a later section.  Instead of
196         blocking, it registers a function and argument which are invoked
197         after all ongoing RCU read-side critical sections have completed.
198         This callback variant is particularly useful in situations where
199         it is illegal to block or where update-side performance is
200         critically important.
201
202         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
203         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
204         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
205         of automatically limiting update rate should grace periods
206         be delayed.  This property results in system resilience in face
207         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
208         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
209         checklist.txt for some approaches to limiting the update rate.
210
211 rcu_assign_pointer()
212
213         typeof(p) rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
214
215         Yes, rcu_assign_pointer() -is- implemented as a macro, though it
216         would be cool to be able to declare a function in this manner.
217         (Compiler experts will no doubt disagree.)
218
219         The updater uses this function to assign a new value to an
220         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
221         in value from the updater to the reader.  This function returns
222         the new value, and also executes any memory-barrier instructions
223         required for a given CPU architecture.
224
225         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
226         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
227         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
228         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
229         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
230
231 rcu_dereference()
232
233         typeof(p) rcu_dereference(p);
234
235         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
236         as a macro.
237
238         The reader uses rcu_dereference() to fetch an RCU-protected
239         pointer, which returns a value that may then be safely
240         dereferenced.  Note that rcu_dereference() does not actually
241         dereference the pointer, instead, it protects the pointer for
242         later dereferencing.  It also executes any needed memory-barrier
243         instructions for a given CPU architecture.  Currently, only Alpha
244         needs memory barriers within rcu_dereference() -- on other CPUs,
245         it compiles to nothing, not even a compiler directive.
246
247         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
248         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
249         this local variable, for example as follows:
250
251                 p = rcu_dereference(head.next);
252                 return p->data;
253
254         However, in this case, one could just as easily combine these
255         into one statement:
256
257                 return rcu_dereference(head.next)->data;
258
259         If you are going to be fetching multiple fields from the
260         RCU-protected structure, using the local variable is of
261         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
262         ugly, do not guarantee that the same pointer will be returned
263         if an update happened while in the critical section, and incur
264         unnecessary overhead on Alpha CPUs.
265
266         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
267         only within the enclosing RCU read-side critical section.
268         For example, the following is -not- legal:
269
270                 rcu_read_lock();
271                 p = rcu_dereference(head.next);
272                 rcu_read_unlock();
273                 x = p->address; /* BUG!!! */
274                 rcu_read_lock();
275                 y = p->data;    /* BUG!!! */
276                 rcu_read_unlock();
277
278         Holding a reference from one RCU read-side critical section
279         to another is just as illegal as holding a reference from
280         one lock-based critical section to another!  Similarly,
281         using a reference outside of the critical section in which
282         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
283         locking.
284
285         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
286         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
287         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
288         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
289         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
290         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
291         primitives, such as list_for_each_entry_rcu().
292
293 The following diagram shows how each API communicates among the
294 reader, updater, and reclaimer.
295
296
297             rcu_assign_pointer()
298                                     +--------+
299             +---------------------->| reader |---------+
300             |                       +--------+         |
301             |                           |              |
302             |                           |              | Protect:
303             |                           |              | rcu_read_lock()
304             |                           |              | rcu_read_unlock()
305             |        rcu_dereference()  |              |
306        +---------+                      |              |
307        | updater |<---------------------+              |
308        +---------+                                     V
309             |                                    +-----------+
310             +----------------------------------->| reclaimer |
311                                                  +-----------+
312               Defer:
313               synchronize_rcu() & call_rcu()
314
315
316 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
317 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
318 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
319 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
320 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
321 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
322
323 There are no fewer than three RCU mechanisms in the Linux kernel; the
324 diagram above shows the first one, which is by far the most commonly used.
325 The rcu_dereference() and rcu_assign_pointer() primitives are used for
326 all three mechanisms, but different defer and protect primitives are
327 used as follows:
328
329         Defer                   Protect
330
331 a.      synchronize_rcu()       rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
332         call_rcu()              rcu_dereference()
333
334 b.      synchronize_rcu_bh()    rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
335         call_rcu_bh()           rcu_dereference_bh()
336
337 c.      synchronize_sched()     rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
338         call_rcu_sched()        preempt_disable() / preempt_enable()
339                                 local_irq_save() / local_irq_restore()
340                                 hardirq enter / hardirq exit
341                                 NMI enter / NMI exit
342                                 rcu_dereference_sched()
343
344 These three mechanisms are used as follows:
345
346 a.      RCU applied to normal data structures.
347
348 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
349         to remote denial-of-service attacks.
350
351 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
352
353 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
354 for specialized uses, but are relatively uncommon.
355
356
357 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
358
359 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
360 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
361 uses of RCU may be found in listRCU.txt, arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
362
363         struct foo {
364                 int a;
365                 char b;
366                 long c;
367         };
368         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
369
370         struct foo __rcu *gbl_foo;
371
372         /*
373          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
374          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
375          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
376          * frees up the old structure after a grace period.
377          *
378          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
379          * see the initialized version of the new structure.
380          *
381          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
382          * have references to the old structure complete before freeing
383          * the old structure.
384          */
385         void foo_update_a(int new_a)
386         {
387                 struct foo *new_fp;
388                 struct foo *old_fp;
389
390                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
391                 spin_lock(&foo_mutex);
392                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
393                 *new_fp = *old_fp;
394                 new_fp->a = new_a;
395                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
396                 spin_unlock(&foo_mutex);
397                 synchronize_rcu();
398                 kfree(old_fp);
399         }
400
401         /*
402          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
403          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
404          * to ensure that the structure does not get deleted out
405          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
406          * we see the initialized version of the structure (important
407          * for DEC Alpha and for people reading the code).
408          */
409         int foo_get_a(void)
410         {
411                 int retval;
412
413                 rcu_read_lock();
414                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
415                 rcu_read_unlock();
416                 return retval;
417         }
418
419 So, to sum up:
420
421 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
422         read-side critical sections.
423
424 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
425         to dereference RCU-protected pointers.
426
427 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
428         keep concurrent updates from interfering with each other.
429
430 o       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
431         This primitive protects concurrent readers from the updater,
432         -not- concurrent updates from each other!  You therefore still
433         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
434         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
435
436 o       Use synchronize_rcu() -after- removing a data element from an
437         RCU-protected data structure, but -before- reclaiming/freeing
438         the data element, in order to wait for the completion of all
439         RCU read-side critical sections that might be referencing that
440         data item.
441
442 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
443 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.txt,
444 arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
445
446
447 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
448
449 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
450 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
451 long -- there might be other high-priority work to be done.
452
453 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
454 The call_rcu() API is as follows:
455
456         void call_rcu(struct rcu_head * head,
457                       void (*func)(struct rcu_head *head));
458
459 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
460 This invocation might happen from either softirq or process context,
461 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
462 have an rcu_head structure added, perhaps as follows:
463
464         struct foo {
465                 int a;
466                 char b;
467                 long c;
468                 struct rcu_head rcu;
469         };
470
471 The foo_update_a() function might then be written as follows:
472
473         /*
474          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
475          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
476          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
477          * frees up the old structure after a grace period.
478          *
479          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
480          * see the initialized version of the new structure.
481          *
482          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
483          * references to the old structure complete before freeing the
484          * old structure.
485          */
486         void foo_update_a(int new_a)
487         {
488                 struct foo *new_fp;
489                 struct foo *old_fp;
490
491                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
492                 spin_lock(&foo_mutex);
493                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
494                 *new_fp = *old_fp;
495                 new_fp->a = new_a;
496                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
497                 spin_unlock(&foo_mutex);
498                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
499         }
500
501 The foo_reclaim() function might appear as follows:
502
503         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
504         {
505                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
506
507                 foo_cleanup(fp->a);
508
509                 kfree(fp);
510         }
511
512 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
513 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
514 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
515
516 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
517 immediately regain control, without needing to worry further about the
518 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
519 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
520 namely foo_reclaim().
521
522 The summary of advice is the same as for the previous section, except
523 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
524
525 o       Use call_rcu() -after- removing a data element from an
526         RCU-protected data structure in order to register a callback
527         function that will be invoked after the completion of all RCU
528         read-side critical sections that might be referencing that
529         data item.
530
531 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
532 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
533 to avoid having to write your own callback:
534
535         kfree_rcu(old_fp, rcu);
536
537 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
538
539
540 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
541
542 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
543 implementations that are a good first step towards understanding the
544 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
545 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
546 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
547 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
548 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
549 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcupdate.c for a
550 production-quality implementation, and see:
551
552         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
553
554 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
555 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
556 more details on the current implementation as of early 2004.
557
558
559 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
560
561 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
562 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
563 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
564 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
565 one read-side critical section to another.  It also assumes recursive
566 reader-writer locks:  If you try this with non-recursive locks, and
567 you allow nested rcu_read_lock() calls, you can deadlock.
568
569 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
570 a good starting point.
571
572 It is extremely simple:
573
574         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
575
576         void rcu_read_lock(void)
577         {
578                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
579         }
580
581         void rcu_read_unlock(void)
582         {
583                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
584         }
585
586         void synchronize_rcu(void)
587         {
588                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
589                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
590         }
591
592 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without missing
593 much.  But here are simplified versions anyway.  And whatever you do,
594 don't forget about them when submitting patches making use of RCU!]
595
596         #define rcu_assign_pointer(p, v) \
597         ({ \
598                 smp_store_release(&(p), (v)); \
599         })
600
601         #define rcu_dereference(p) \
602         ({ \
603                 typeof(p) _________p1 = READ_ONCE(p); \
604                 (_________p1); \
605         })
606
607
608 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
609 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
610 primitive write-acquires this same lock, then immediately releases
611 it.  This means that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side
612 critical sections that were in progress before synchronize_rcu() was
613 called are guaranteed to have completed -- there is no way that
614 synchronize_rcu() would have been able to write-acquire the lock
615 otherwise.
616
617 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
618 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
619 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
620 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
621 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
622 so there can be no deadlock cycle.
623
624 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
625                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
626                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
627
628
629 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
630
631 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
632 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
633 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
634 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
635 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
636
637         void rcu_read_lock(void) { }
638
639         void rcu_read_unlock(void) { }
640
641         void synchronize_rcu(void)
642         {
643                 int cpu;
644
645                 for_each_possible_cpu(cpu)
646                         run_on(cpu);
647         }
648
649 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
650 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
651 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
652 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
653 participate in a deadlock cycle!
654
655 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
656 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
657 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
658 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
659 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
660 "toy", I meant -toy-!
661
662 So how the heck is this supposed to work???
663
664 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
665 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
666 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
667 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
668 RCU read-side critical sections will have completed.
669
670 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
671 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
672 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
673 to that data item, so we can safely reclaim it.
674
675 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
676                 overhead is -negative-.
677
678 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
679                 critical section, what the heck do you do in
680                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
681
682
683 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
684
685 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
686 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
687 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
688
689         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
690                 int data;
691                 /* Other data fields */
692          };
693         -rwlock_t listmutex;
694         +spinlock_t listmutex;
695          struct el head;
696
697         @@ -13,15 +14,15 @@
698                 struct list_head *lp;
699                 struct el *p;
700
701         -       read_lock(&listmutex);
702         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
703         +       rcu_read_lock();
704         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
705                         if (p->key == key) {
706                                 *result = p->data;
707         -                       read_unlock(&listmutex);
708         +                       rcu_read_unlock();
709                                 return 1;
710                         }
711                 }
712         -       read_unlock(&listmutex);
713         +       rcu_read_unlock();
714                 return 0;
715          }
716
717         @@ -29,15 +30,16 @@
718          {
719                 struct el *p;
720
721         -       write_lock(&listmutex);
722         +       spin_lock(&listmutex);
723                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
724                         if (p->key == key) {
725         -                       list_del(&p->list);
726         -                       write_unlock(&listmutex);
727         +                       list_del_rcu(&p->list);
728         +                       spin_unlock(&listmutex);
729         +                       synchronize_rcu();
730                                 kfree(p);
731                                 return 1;
732                         }
733                 }
734         -       write_unlock(&listmutex);
735         +       spin_unlock(&listmutex);
736                 return 0;
737          }
738
739 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
740
741  1 struct el {                          1 struct el {
742  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
743  3   long key;                          3   long key;
744  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
745  5   int data;                          5   int data;
746  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
747  7 };                                   7 };
748  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
749  9 struct el head;                      9 struct el head;
750
751  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
752  2 {                                    2 {
753  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
754  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
755  5                                      5
756  6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
757  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
758  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
759  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
760 10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
761 11       return 1;                     11       return 1;
762 12     }                               12     }
763 13   }                                 13   }
764 14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
765 15   return 0;                         15   return 0;
766 16 }                                   16 }
767
768  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
769  2 {                                    2 {
770  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
771  4                                      4
772  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
773  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
774  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
775  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
776  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
777                                        10       synchronize_rcu();
778 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
779 11       return 1;                     12       return 1;
780 12     }                               13     }
781 13   }                                 14   }
782 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
783 15   return 0;                         16   return 0;
784 16 }                                   17 }
785
786 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
787 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
788 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
789 precedes the kfree().
790
791 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
792 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
793 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
794 For example, if multiple independent list updates must be seen as
795 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
796
797 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
798 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
799 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
800 be used in place of synchronize_rcu().
801
802
803 7.  FULL LIST OF RCU APIs
804
805 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
806 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
807 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
808 in docbook.  Here is the list, by category.
809
810 RCU list traversal:
811
812         list_entry_rcu
813         list_first_entry_rcu
814         list_next_rcu
815         list_for_each_entry_rcu
816         list_for_each_entry_continue_rcu
817         hlist_first_rcu
818         hlist_next_rcu
819         hlist_pprev_rcu
820         hlist_for_each_entry_rcu
821         hlist_for_each_entry_rcu_bh
822         hlist_for_each_entry_continue_rcu
823         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
824         hlist_nulls_first_rcu
825         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
826         hlist_bl_first_rcu
827         hlist_bl_for_each_entry_rcu
828
829 RCU pointer/list update:
830
831         rcu_assign_pointer
832         list_add_rcu
833         list_add_tail_rcu
834         list_del_rcu
835         list_replace_rcu
836         hlist_add_behind_rcu
837         hlist_add_before_rcu
838         hlist_add_head_rcu
839         hlist_del_rcu
840         hlist_del_init_rcu
841         hlist_replace_rcu
842         list_splice_init_rcu()
843         hlist_nulls_del_init_rcu
844         hlist_nulls_del_rcu
845         hlist_nulls_add_head_rcu
846         hlist_bl_add_head_rcu
847         hlist_bl_del_init_rcu
848         hlist_bl_del_rcu
849         hlist_bl_set_first_rcu
850
851 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
852
853         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
854         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
855         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
856         rcu_read_lock_held      call_rcu
857         rcu_dereference_check   kfree_rcu
858         rcu_dereference_protected
859
860 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
861
862         rcu_read_lock_bh        call_rcu_bh             rcu_barrier_bh
863         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu_bh
864         rcu_dereference_bh      synchronize_rcu_bh_expedited
865         rcu_dereference_bh_check
866         rcu_dereference_bh_protected
867         rcu_read_lock_bh_held
868
869 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
870
871         rcu_read_lock_sched     synchronize_sched       rcu_barrier_sched
872         rcu_read_unlock_sched   call_rcu_sched
873         [preempt_disable]       synchronize_sched_expedited
874         [and friends]
875         rcu_read_lock_sched_notrace
876         rcu_read_unlock_sched_notrace
877         rcu_dereference_sched
878         rcu_dereference_sched_check
879         rcu_dereference_sched_protected
880         rcu_read_lock_sched_held
881
882
883 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
884
885         srcu_read_lock          synchronize_srcu        srcu_barrier
886         srcu_read_unlock        call_srcu
887         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
888         srcu_dereference_check
889         srcu_read_lock_held
890
891 SRCU:   Initialization/cleanup
892         DEFINE_SRCU
893         DEFINE_STATIC_SRCU
894         init_srcu_struct
895         cleanup_srcu_struct
896
897 All:  lockdep-checked RCU-protected pointer access
898
899         rcu_access_pointer
900         rcu_dereference_raw
901         RCU_LOCKDEP_WARN
902         rcu_sleep_check
903         RCU_NONIDLE
904
905 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
906 from them) for more information.
907
908 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
909 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
910 list can be helpful:
911
912 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
913
914 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
915         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
916         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
917         necessary.  (The -rt patchset turns spinlocks into sleeplocks,
918         hence this distinction.)
919
920 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
921         and code segments with preemption disabled (whether
922         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
923         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
924         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
925
926 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
927         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
928         example, is your code subject to network-based denial-of-service
929         attacks?  If so, you need RCU-bh.
930
931 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
932         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
933         If so, consider SLAB_TYPESAFE_BY_RCU (which was originally
934         named SLAB_DESTROY_BY_RCU).  But please be careful!
935
936 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
937         even though they are in the middle of the idle loop, during
938         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
939         only choice that will work for you.
940
941 g.      Otherwise, use RCU.
942
943 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
944 the right tool for your job.
945
946
947 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
948
949 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
950                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
951                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
952                 algorithm.]
953
954 Answer:         Consider the following sequence of events:
955
956                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
957                         "problematic_lock", disabling irq via
958                         spin_lock_irqsave().
959
960                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
961                         rcu_gp_mutex.
962
963                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
964                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
965
966                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
967                         attempts to acquire problematic_lock.
968
969                 The system is now deadlocked.
970
971                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
972                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
973                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
974                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
975                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
976                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
977
978                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
979                 allows latency to "bleed" from readers to other
980                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
981                 consider task A in an RCU read-side critical section
982                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
983                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
984                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
985                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
986                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
987                 task B.
988
989                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
990                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
991                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
992
993 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
994                 overhead is -negative-.
995
996 Answer:         Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
997                 kernel where a routing table is used by process-context
998                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
999                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
1000                 this would be to have the process-context code disable
1001                 interrupts while searching the routing table.  Use of
1002                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
1003                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
1004                 and with RCU you don't.
1005
1006                 One can argue that the overhead of RCU in this
1007                 case is negative with respect to the single-CPU
1008                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1009                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1010                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1011                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1012                 negative overhead.
1013
1014                 In real life, of course, things are more complex.  But
1015                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1016                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1017
1018 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
1019                 critical section, what the heck do you do in
1020                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1021
1022 Answer:         Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1023                 critical sections, it permits preemption of RCU
1024                 read-side critical sections.  It also permits
1025                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1026                 sections.
1027
1028                 Why the apparent inconsistency?  Because it is it
1029                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1030                 grace periods short if need be (for example, if running
1031                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1032                 for (say) network reception, there is no way to know
1033                 what should be boosted.  Especially given that the
1034                 process we need to boost might well be a human being
1035                 who just went out for a pizza or something.  And although
1036                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1037                 interest, it might also provoke serious objections.
1038                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1039                 the human being went to???
1040
1041
1042 ACKNOWLEDGEMENTS
1043
1044 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1045 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1046
1047
1048 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.