Merge branch 'for-3.17/drivers' of git://git.kernel.dk/linux-block
[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
9
10 What is RCU?
11
12 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
13 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
14 situations.  Although RCU is actually quite simple once you understand it,
15 getting there can sometimes be a challenge.  Part of the problem is that
16 most of the past descriptions of RCU have been written with the mistaken
17 assumption that there is "one true way" to describe RCU.  Instead,
18 the experience has been that different people must take different paths
19 to arrive at an understanding of RCU.  This document provides several
20 different paths, as follows:
21
22 1.      RCU OVERVIEW
23 2.      WHAT IS RCU'S CORE API?
24 3.      WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
25 4.      WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
26 5.      WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
27 6.      ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
28 7.      FULL LIST OF RCU APIs
29 8.      ANSWERS TO QUICK QUIZZES
30
31 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
32 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
33 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
34 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
35 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
36 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
37 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
38 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
39 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
40
41 So, start with the section that makes the most sense to you and your
42 preferred method of learning.  If you need to know everything about
43 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
44 that type of person, you have perused the source code and will therefore
45 never need this document anyway.  ;-)
46
47
48 1.  RCU OVERVIEW
49
50 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
51 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
52 within a data structure (possibly by replacing them with references to
53 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
54 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
55 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
56 either the old or the new version of the data structure rather than a
57 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
58 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
59 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
60 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
61 not start until readers no longer hold references to those data items.
62
63 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
64 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
65 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
66 completed, either by blocking until they finish or by registering a
67 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
68 during the removal phase need be considered, because any reader starting
69 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
70 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
71
72 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
73
74 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
75         readers cannot gain a reference to it.
76
77 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
78         critical sections.
79
80 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
81         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
82         (e.g., kfree()d).
83
84 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
85 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
86 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
87 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
88 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
89 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
90 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
91 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
92 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
93 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
94 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
95 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
96 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
97 and communications cache misses that are so expensive on present-day
98 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
99
100 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
101 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
102 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
103 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
104 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
105 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
106 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
107 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
108 and reclaimers, namely, in step (b) above.
109
110 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
111 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
112 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
113
114
115 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
116
117 The core RCU API is quite small:
118
119 a.      rcu_read_lock()
120 b.      rcu_read_unlock()
121 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
122 d.      rcu_assign_pointer()
123 e.      rcu_dereference()
124
125 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
126 expressed in terms of these five, though most implementations instead
127 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
128
129 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
130 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
131 at the function header comments.
132
133 rcu_read_lock()
134
135         void rcu_read_lock(void);
136
137         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
138         entering an RCU read-side critical section.  It is illegal
139         to block while in an RCU read-side critical section, though
140         kernels built with CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU can preempt RCU
141         read-side critical sections.  Any RCU-protected data structure
142         accessed during an RCU read-side critical section is guaranteed to
143         remain unreclaimed for the full duration of that critical section.
144         Reference counts may be used in conjunction with RCU to maintain
145         longer-term references to data structures.
146
147 rcu_read_unlock()
148
149         void rcu_read_unlock(void);
150
151         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
152         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
153         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
154
155 synchronize_rcu()
156
157         void synchronize_rcu(void);
158
159         Marks the end of updater code and the beginning of reclaimer
160         code.  It does this by blocking until all pre-existing RCU
161         read-side critical sections on all CPUs have completed.
162         Note that synchronize_rcu() will -not- necessarily wait for
163         any subsequent RCU read-side critical sections to complete.
164         For example, consider the following sequence of events:
165
166                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
167              ----------------- ------------------------- ---------------
168          1.  rcu_read_lock()
169          2.                    enters synchronize_rcu()
170          3.                                               rcu_read_lock()
171          4.  rcu_read_unlock()
172          5.                     exits synchronize_rcu()
173          6.                                              rcu_read_unlock()
174
175         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
176         read-side critical sections to complete, not necessarily for
177         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
178
179         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
180         -immediately- after the last pre-existing RCU read-side critical
181         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
182         delays.  For another thing, many RCU implementations process
183         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
184         further delay synchronize_rcu().
185
186         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
187         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
188         to be useful in all but the most read-intensive situations,
189         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
190
191         The call_rcu() API is a callback form of synchronize_rcu(),
192         and is described in more detail in a later section.  Instead of
193         blocking, it registers a function and argument which are invoked
194         after all ongoing RCU read-side critical sections have completed.
195         This callback variant is particularly useful in situations where
196         it is illegal to block or where update-side performance is
197         critically important.
198
199         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
200         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
201         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
202         of automatically limiting update rate should grace periods
203         be delayed.  This property results in system resilience in face
204         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
205         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
206         checklist.txt for some approaches to limiting the update rate.
207
208 rcu_assign_pointer()
209
210         typeof(p) rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
211
212         Yes, rcu_assign_pointer() -is- implemented as a macro, though it
213         would be cool to be able to declare a function in this manner.
214         (Compiler experts will no doubt disagree.)
215
216         The updater uses this function to assign a new value to an
217         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
218         in value from the updater to the reader.  This function returns
219         the new value, and also executes any memory-barrier instructions
220         required for a given CPU architecture.
221
222         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
223         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
224         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
225         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
226         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
227
228 rcu_dereference()
229
230         typeof(p) rcu_dereference(p);
231
232         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
233         as a macro.
234
235         The reader uses rcu_dereference() to fetch an RCU-protected
236         pointer, which returns a value that may then be safely
237         dereferenced.  Note that rcu_deference() does not actually
238         dereference the pointer, instead, it protects the pointer for
239         later dereferencing.  It also executes any needed memory-barrier
240         instructions for a given CPU architecture.  Currently, only Alpha
241         needs memory barriers within rcu_dereference() -- on other CPUs,
242         it compiles to nothing, not even a compiler directive.
243
244         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
245         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
246         this local variable, for example as follows:
247
248                 p = rcu_dereference(head.next);
249                 return p->data;
250
251         However, in this case, one could just as easily combine these
252         into one statement:
253
254                 return rcu_dereference(head.next)->data;
255
256         If you are going to be fetching multiple fields from the
257         RCU-protected structure, using the local variable is of
258         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
259         ugly and incur unnecessary overhead on Alpha CPUs.
260
261         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
262         only within the enclosing RCU read-side critical section.
263         For example, the following is -not- legal:
264
265                 rcu_read_lock();
266                 p = rcu_dereference(head.next);
267                 rcu_read_unlock();
268                 x = p->address; /* BUG!!! */
269                 rcu_read_lock();
270                 y = p->data;    /* BUG!!! */
271                 rcu_read_unlock();
272
273         Holding a reference from one RCU read-side critical section
274         to another is just as illegal as holding a reference from
275         one lock-based critical section to another!  Similarly,
276         using a reference outside of the critical section in which
277         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
278         locking.
279
280         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
281         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
282         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
283         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
284         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
285         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
286         primitives, such as list_for_each_entry_rcu().
287
288 The following diagram shows how each API communicates among the
289 reader, updater, and reclaimer.
290
291
292             rcu_assign_pointer()
293                                     +--------+
294             +---------------------->| reader |---------+
295             |                       +--------+         |
296             |                           |              |
297             |                           |              | Protect:
298             |                           |              | rcu_read_lock()
299             |                           |              | rcu_read_unlock()
300             |        rcu_dereference()  |              |
301        +---------+                      |              |
302        | updater |<---------------------+              |
303        +---------+                                     V
304             |                                    +-----------+
305             +----------------------------------->| reclaimer |
306                                                  +-----------+
307               Defer:
308               synchronize_rcu() & call_rcu()
309
310
311 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
312 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
313 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
314 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
315 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
316 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
317
318 There are no fewer than three RCU mechanisms in the Linux kernel; the
319 diagram above shows the first one, which is by far the most commonly used.
320 The rcu_dereference() and rcu_assign_pointer() primitives are used for
321 all three mechanisms, but different defer and protect primitives are
322 used as follows:
323
324         Defer                   Protect
325
326 a.      synchronize_rcu()       rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
327         call_rcu()              rcu_dereference()
328
329 b.      synchronize_rcu_bh()    rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
330         call_rcu_bh()           rcu_dereference_bh()
331
332 c.      synchronize_sched()     rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
333         call_rcu_sched()        preempt_disable() / preempt_enable()
334                                 local_irq_save() / local_irq_restore()
335                                 hardirq enter / hardirq exit
336                                 NMI enter / NMI exit
337                                 rcu_dereference_sched()
338
339 These three mechanisms are used as follows:
340
341 a.      RCU applied to normal data structures.
342
343 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
344         to remote denial-of-service attacks.
345
346 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
347
348 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
349 for specialized uses, but are relatively uncommon.
350
351
352 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
353
354 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
355 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
356 uses of RCU may be found in listRCU.txt, arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
357
358         struct foo {
359                 int a;
360                 char b;
361                 long c;
362         };
363         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
364
365         struct foo *gbl_foo;
366
367         /*
368          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
369          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
370          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
371          * frees up the old structure after a grace period.
372          *
373          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
374          * see the initialized version of the new structure.
375          *
376          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
377          * have references to the old structure complete before freeing
378          * the old structure.
379          */
380         void foo_update_a(int new_a)
381         {
382                 struct foo *new_fp;
383                 struct foo *old_fp;
384
385                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
386                 spin_lock(&foo_mutex);
387                 old_fp = gbl_foo;
388                 *new_fp = *old_fp;
389                 new_fp->a = new_a;
390                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
391                 spin_unlock(&foo_mutex);
392                 synchronize_rcu();
393                 kfree(old_fp);
394         }
395
396         /*
397          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
398          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
399          * to ensure that the structure does not get deleted out
400          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
401          * we see the initialized version of the structure (important
402          * for DEC Alpha and for people reading the code).
403          */
404         int foo_get_a(void)
405         {
406                 int retval;
407
408                 rcu_read_lock();
409                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
410                 rcu_read_unlock();
411                 return retval;
412         }
413
414 So, to sum up:
415
416 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
417         read-side critical sections.
418
419 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
420         to dereference RCU-protected pointers.
421
422 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
423         keep concurrent updates from interfering with each other.
424
425 o       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
426         This primitive protects concurrent readers from the updater,
427         -not- concurrent updates from each other!  You therefore still
428         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
429         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
430
431 o       Use synchronize_rcu() -after- removing a data element from an
432         RCU-protected data structure, but -before- reclaiming/freeing
433         the data element, in order to wait for the completion of all
434         RCU read-side critical sections that might be referencing that
435         data item.
436
437 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
438 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.txt,
439 arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
440
441
442 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
443
444 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
445 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
446 long -- there might be other high-priority work to be done.
447
448 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
449 The call_rcu() API is as follows:
450
451         void call_rcu(struct rcu_head * head,
452                       void (*func)(struct rcu_head *head));
453
454 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
455 This invocation might happen from either softirq or process context,
456 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
457 have an rcu_head structure added, perhaps as follows:
458
459         struct foo {
460                 int a;
461                 char b;
462                 long c;
463                 struct rcu_head rcu;
464         };
465
466 The foo_update_a() function might then be written as follows:
467
468         /*
469          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
470          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
471          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
472          * frees up the old structure after a grace period.
473          *
474          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
475          * see the initialized version of the new structure.
476          *
477          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
478          * references to the old structure complete before freeing the
479          * old structure.
480          */
481         void foo_update_a(int new_a)
482         {
483                 struct foo *new_fp;
484                 struct foo *old_fp;
485
486                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
487                 spin_lock(&foo_mutex);
488                 old_fp = gbl_foo;
489                 *new_fp = *old_fp;
490                 new_fp->a = new_a;
491                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
492                 spin_unlock(&foo_mutex);
493                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
494         }
495
496 The foo_reclaim() function might appear as follows:
497
498         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
499         {
500                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
501
502                 foo_cleanup(fp->a);
503
504                 kfree(fp);
505         }
506
507 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
508 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
509 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
510
511 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
512 immediately regain control, without needing to worry further about the
513 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
514 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
515 namely foo_reclaim().
516
517 The summary of advice is the same as for the previous section, except
518 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
519
520 o       Use call_rcu() -after- removing a data element from an
521         RCU-protected data structure in order to register a callback
522         function that will be invoked after the completion of all RCU
523         read-side critical sections that might be referencing that
524         data item.
525
526 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
527 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
528 to avoid having to write your own callback:
529
530         kfree_rcu(old_fp, rcu);
531
532 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
533
534
535 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
536
537 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
538 implementations that are a good first step towards understanding the
539 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
540 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
541 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
542 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
543 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
544 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcupdate.c for a
545 production-quality implementation, and see:
546
547         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
548
549 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
550 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
551 more details on the current implementation as of early 2004.
552
553
554 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
555
556 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
557 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
558 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
559 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
560 one read-side critical section to another.
561
562 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
563 a good starting point.
564
565 It is extremely simple:
566
567         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
568
569         void rcu_read_lock(void)
570         {
571                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
572         }
573
574         void rcu_read_unlock(void)
575         {
576                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
577         }
578
579         void synchronize_rcu(void)
580         {
581                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
582                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
583         }
584
585 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without
586 missing much.  But here they are anyway.  And whatever you do, don't
587 forget about them when submitting patches making use of RCU!]
588
589         #define rcu_assign_pointer(p, v)        ({ \
590                                                         smp_wmb(); \
591                                                         (p) = (v); \
592                                                 })
593
594         #define rcu_dereference(p)     ({ \
595                                         typeof(p) _________p1 = p; \
596                                         smp_read_barrier_depends(); \
597                                         (_________p1); \
598                                         })
599
600
601 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
602 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
603 primitive write-acquires this same lock, then immediately releases
604 it.  This means that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side
605 critical sections that were in progress before synchronize_rcu() was
606 called are guaranteed to have completed -- there is no way that
607 synchronize_rcu() would have been able to write-acquire the lock
608 otherwise.
609
610 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
611 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
612 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
613 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
614 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
615 so there can be no deadlock cycle.
616
617 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
618                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
619                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
620
621
622 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
623
624 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
625 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
626 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
627 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
628 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
629
630         void rcu_read_lock(void) { }
631
632         void rcu_read_unlock(void) { }
633
634         void synchronize_rcu(void)
635         {
636                 int cpu;
637
638                 for_each_possible_cpu(cpu)
639                         run_on(cpu);
640         }
641
642 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
643 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
644 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
645 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
646 participate in a deadlock cycle!
647
648 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
649 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
650 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
651 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
652 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
653 "toy", I meant -toy-!
654
655 So how the heck is this supposed to work???
656
657 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
658 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
659 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
660 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
661 RCU read-side critical sections will have completed.
662
663 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
664 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
665 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
666 to that data item, so we can safely reclaim it.
667
668 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
669                 overhead is -negative-.
670
671 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
672                 critical section, what the heck do you do in
673                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
674
675
676 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
677
678 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
679 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
680 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
681
682         @@ -13,15 +14,15 @@
683                 struct list_head *lp;
684                 struct el *p;
685
686         -       read_lock();
687         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
688         +       rcu_read_lock();
689         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
690                         if (p->key == key) {
691                                 *result = p->data;
692         -                       read_unlock();
693         +                       rcu_read_unlock();
694                                 return 1;
695                         }
696                 }
697         -       read_unlock();
698         +       rcu_read_unlock();
699                 return 0;
700          }
701
702         @@ -29,15 +30,16 @@
703          {
704                 struct el *p;
705
706         -       write_lock(&listmutex);
707         +       spin_lock(&listmutex);
708                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
709                         if (p->key == key) {
710         -                       list_del(&p->list);
711         -                       write_unlock(&listmutex);
712         +                       list_del_rcu(&p->list);
713         +                       spin_unlock(&listmutex);
714         +                       synchronize_rcu();
715                                 kfree(p);
716                                 return 1;
717                         }
718                 }
719         -       write_unlock(&listmutex);
720         +       spin_unlock(&listmutex);
721                 return 0;
722          }
723
724 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
725
726  1 struct el {                          1 struct el {
727  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
728  3   long key;                          3   long key;
729  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
730  5   int data;                          5   int data;
731  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
732  7 };                                   7 };
733  8 spinlock_t listmutex;                8 spinlock_t listmutex;
734  9 struct el head;                      9 struct el head;
735
736  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
737  2 {                                    2 {
738  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
739  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
740  5                                      5
741  6   read_lock();                       6   rcu_read_lock();
742  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
743  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
744  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
745 10       read_unlock();                10       rcu_read_unlock();
746 11       return 1;                     11       return 1;
747 12     }                               12     }
748 13   }                                 13   }
749 14   read_unlock();                    14   rcu_read_unlock();
750 15   return 0;                         15   return 0;
751 16 }                                   16 }
752
753  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
754  2 {                                    2 {
755  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
756  4                                      4
757  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
758  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
759  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
760  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
761  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
762                                        10       synchronize_rcu();
763 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
764 11       return 1;                     12       return 1;
765 12     }                               13     }
766 13   }                                 14   }
767 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
768 15   return 0;                         16   return 0;
769 16 }                                   17 }
770
771 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
772 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
773 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
774 precedes the kfree().
775
776 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
777 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
778 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
779 For example, if multiple independent list updates must be seen as
780 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
781
782 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
783 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
784 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
785 be used in place of synchronize_rcu().
786
787
788 7.  FULL LIST OF RCU APIs
789
790 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
791 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
792 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
793 in docbook.  Here is the list, by category.
794
795 RCU list traversal:
796
797         list_entry_rcu
798         list_first_entry_rcu
799         list_next_rcu
800         list_for_each_entry_rcu
801         list_for_each_entry_continue_rcu
802         hlist_first_rcu
803         hlist_next_rcu
804         hlist_pprev_rcu
805         hlist_for_each_entry_rcu
806         hlist_for_each_entry_rcu_bh
807         hlist_for_each_entry_continue_rcu
808         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
809         hlist_nulls_first_rcu
810         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
811         hlist_bl_first_rcu
812         hlist_bl_for_each_entry_rcu
813
814 RCU pointer/list update:
815
816         rcu_assign_pointer
817         list_add_rcu
818         list_add_tail_rcu
819         list_del_rcu
820         list_replace_rcu
821         hlist_add_behind_rcu
822         hlist_add_before_rcu
823         hlist_add_head_rcu
824         hlist_del_rcu
825         hlist_del_init_rcu
826         hlist_replace_rcu
827         list_splice_init_rcu()
828         hlist_nulls_del_init_rcu
829         hlist_nulls_del_rcu
830         hlist_nulls_add_head_rcu
831         hlist_bl_add_head_rcu
832         hlist_bl_del_init_rcu
833         hlist_bl_del_rcu
834         hlist_bl_set_first_rcu
835
836 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
837
838         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
839         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
840         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
841         rcu_read_lock_held      call_rcu
842         rcu_dereference_check   kfree_rcu
843         rcu_dereference_protected
844
845 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
846
847         rcu_read_lock_bh        call_rcu_bh             rcu_barrier_bh
848         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu_bh
849         rcu_dereference_bh      synchronize_rcu_bh_expedited
850         rcu_dereference_bh_check
851         rcu_dereference_bh_protected
852         rcu_read_lock_bh_held
853
854 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
855
856         rcu_read_lock_sched     synchronize_sched       rcu_barrier_sched
857         rcu_read_unlock_sched   call_rcu_sched
858         [preempt_disable]       synchronize_sched_expedited
859         [and friends]
860         rcu_read_lock_sched_notrace
861         rcu_read_unlock_sched_notrace
862         rcu_dereference_sched
863         rcu_dereference_sched_check
864         rcu_dereference_sched_protected
865         rcu_read_lock_sched_held
866
867
868 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
869
870         srcu_read_lock          synchronize_srcu        srcu_barrier
871         srcu_read_unlock        call_srcu
872         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
873         srcu_dereference_check
874         srcu_read_lock_held
875
876 SRCU:   Initialization/cleanup
877         init_srcu_struct
878         cleanup_srcu_struct
879
880 All:  lockdep-checked RCU-protected pointer access
881
882         rcu_access_index
883         rcu_access_pointer
884         rcu_dereference_index_check
885         rcu_dereference_raw
886         rcu_lockdep_assert
887         rcu_sleep_check
888         RCU_NONIDLE
889
890 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
891 from them) for more information.
892
893 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
894 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
895 list can be helpful:
896
897 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
898
899 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
900         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
901         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
902         necessary.
903
904 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
905         and code segments with preemption disabled (whether
906         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
907         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
908         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
909
910 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
911         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
912         example, is your code subject to network-based denial-of-service
913         attacks?  If so, you need RCU-bh.
914
915 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
916         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
917         If so, consider SLAB_DESTROY_BY_RCU.  But please be careful!
918
919 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
920         even though they are in the middle of the idle loop, during
921         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
922         only choice that will work for you.
923
924 g.      Otherwise, use RCU.
925
926 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
927 the right tool for your job.
928
929
930 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
931
932 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
933                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
934                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
935                 algorithm.]
936
937 Answer:         Consider the following sequence of events:
938
939                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
940                         "problematic_lock", disabling irq via
941                         spin_lock_irqsave().
942
943                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
944                         rcu_gp_mutex.
945
946                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
947                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
948
949                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
950                         attempts to acquire problematic_lock.
951
952                 The system is now deadlocked.
953
954                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
955                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
956                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
957                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
958                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
959                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
960
961                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
962                 allows latency to "bleed" from readers to other
963                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
964                 consider task A in an RCU read-side critical section
965                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
966                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
967                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
968                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
969                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
970                 task B.
971
972                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
973                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
974                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
975
976 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
977                 overhead is -negative-.
978
979 Answer:         Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
980                 kernel where a routing table is used by process-context
981                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
982                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
983                 this would be to have the process-context code disable
984                 interrupts while searching the routing table.  Use of
985                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
986                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
987                 and with RCU you don't.
988
989                 One can argue that the overhead of RCU in this
990                 case is negative with respect to the single-CPU
991                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
992                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
993                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
994                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
995                 negative overhead.
996
997                 In real life, of course, things are more complex.  But
998                 even the theoretical possibility of negative overhead for
999                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1000
1001 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
1002                 critical section, what the heck do you do in
1003                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1004
1005 Answer:         Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1006                 critical sections, it permits preemption of RCU
1007                 read-side critical sections.  It also permits
1008                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1009                 sections.
1010
1011                 Why the apparent inconsistency?  Because it is it
1012                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1013                 grace periods short if need be (for example, if running
1014                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1015                 for (say) network reception, there is no way to know
1016                 what should be boosted.  Especially given that the
1017                 process we need to boost might well be a human being
1018                 who just went out for a pizza or something.  And although
1019                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1020                 interest, it might also provoke serious objections.
1021                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1022                 the human being went to???
1023
1024
1025 ACKNOWLEDGEMENTS
1026
1027 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1028 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1029
1030
1031 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.