Merge tag 'nios2-v4.4-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/lftan...
[firefly-linux-kernel-4.4.55.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_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, do not guarantee that the same pointer will be returned
260         if an update happened while in the critical section, and incur
261         unnecessary overhead on Alpha CPUs.
262
263         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
264         only within the enclosing RCU read-side critical section.
265         For example, the following is -not- legal:
266
267                 rcu_read_lock();
268                 p = rcu_dereference(head.next);
269                 rcu_read_unlock();
270                 x = p->address; /* BUG!!! */
271                 rcu_read_lock();
272                 y = p->data;    /* BUG!!! */
273                 rcu_read_unlock();
274
275         Holding a reference from one RCU read-side critical section
276         to another is just as illegal as holding a reference from
277         one lock-based critical section to another!  Similarly,
278         using a reference outside of the critical section in which
279         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
280         locking.
281
282         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
283         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
284         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
285         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
286         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
287         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
288         primitives, such as list_for_each_entry_rcu().
289
290 The following diagram shows how each API communicates among the
291 reader, updater, and reclaimer.
292
293
294             rcu_assign_pointer()
295                                     +--------+
296             +---------------------->| reader |---------+
297             |                       +--------+         |
298             |                           |              |
299             |                           |              | Protect:
300             |                           |              | rcu_read_lock()
301             |                           |              | rcu_read_unlock()
302             |        rcu_dereference()  |              |
303        +---------+                      |              |
304        | updater |<---------------------+              |
305        +---------+                                     V
306             |                                    +-----------+
307             +----------------------------------->| reclaimer |
308                                                  +-----------+
309               Defer:
310               synchronize_rcu() & call_rcu()
311
312
313 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
314 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
315 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
316 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
317 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
318 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
319
320 There are no fewer than three RCU mechanisms in the Linux kernel; the
321 diagram above shows the first one, which is by far the most commonly used.
322 The rcu_dereference() and rcu_assign_pointer() primitives are used for
323 all three mechanisms, but different defer and protect primitives are
324 used as follows:
325
326         Defer                   Protect
327
328 a.      synchronize_rcu()       rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
329         call_rcu()              rcu_dereference()
330
331 b.      synchronize_rcu_bh()    rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
332         call_rcu_bh()           rcu_dereference_bh()
333
334 c.      synchronize_sched()     rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
335         call_rcu_sched()        preempt_disable() / preempt_enable()
336                                 local_irq_save() / local_irq_restore()
337                                 hardirq enter / hardirq exit
338                                 NMI enter / NMI exit
339                                 rcu_dereference_sched()
340
341 These three mechanisms are used as follows:
342
343 a.      RCU applied to normal data structures.
344
345 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
346         to remote denial-of-service attacks.
347
348 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
349
350 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
351 for specialized uses, but are relatively uncommon.
352
353
354 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
355
356 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
357 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
358 uses of RCU may be found in listRCU.txt, arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
359
360         struct foo {
361                 int a;
362                 char b;
363                 long c;
364         };
365         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
366
367         struct foo __rcu *gbl_foo;
368
369         /*
370          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
371          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
372          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
373          * frees up the old structure after a grace period.
374          *
375          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
376          * see the initialized version of the new structure.
377          *
378          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
379          * have references to the old structure complete before freeing
380          * the old structure.
381          */
382         void foo_update_a(int new_a)
383         {
384                 struct foo *new_fp;
385                 struct foo *old_fp;
386
387                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
388                 spin_lock(&foo_mutex);
389                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
390                 *new_fp = *old_fp;
391                 new_fp->a = new_a;
392                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
393                 spin_unlock(&foo_mutex);
394                 synchronize_rcu();
395                 kfree(old_fp);
396         }
397
398         /*
399          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
400          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
401          * to ensure that the structure does not get deleted out
402          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
403          * we see the initialized version of the structure (important
404          * for DEC Alpha and for people reading the code).
405          */
406         int foo_get_a(void)
407         {
408                 int retval;
409
410                 rcu_read_lock();
411                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
412                 rcu_read_unlock();
413                 return retval;
414         }
415
416 So, to sum up:
417
418 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
419         read-side critical sections.
420
421 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
422         to dereference RCU-protected pointers.
423
424 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
425         keep concurrent updates from interfering with each other.
426
427 o       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
428         This primitive protects concurrent readers from the updater,
429         -not- concurrent updates from each other!  You therefore still
430         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
431         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
432
433 o       Use synchronize_rcu() -after- removing a data element from an
434         RCU-protected data structure, but -before- reclaiming/freeing
435         the data element, in order to wait for the completion of all
436         RCU read-side critical sections that might be referencing that
437         data item.
438
439 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
440 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.txt,
441 arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
442
443
444 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
445
446 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
447 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
448 long -- there might be other high-priority work to be done.
449
450 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
451 The call_rcu() API is as follows:
452
453         void call_rcu(struct rcu_head * head,
454                       void (*func)(struct rcu_head *head));
455
456 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
457 This invocation might happen from either softirq or process context,
458 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
459 have an rcu_head structure added, perhaps as follows:
460
461         struct foo {
462                 int a;
463                 char b;
464                 long c;
465                 struct rcu_head rcu;
466         };
467
468 The foo_update_a() function might then be written as follows:
469
470         /*
471          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
472          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
473          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
474          * frees up the old structure after a grace period.
475          *
476          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
477          * see the initialized version of the new structure.
478          *
479          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
480          * references to the old structure complete before freeing the
481          * old structure.
482          */
483         void foo_update_a(int new_a)
484         {
485                 struct foo *new_fp;
486                 struct foo *old_fp;
487
488                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
489                 spin_lock(&foo_mutex);
490                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
491                 *new_fp = *old_fp;
492                 new_fp->a = new_a;
493                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
494                 spin_unlock(&foo_mutex);
495                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
496         }
497
498 The foo_reclaim() function might appear as follows:
499
500         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
501         {
502                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
503
504                 foo_cleanup(fp->a);
505
506                 kfree(fp);
507         }
508
509 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
510 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
511 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
512
513 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
514 immediately regain control, without needing to worry further about the
515 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
516 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
517 namely foo_reclaim().
518
519 The summary of advice is the same as for the previous section, except
520 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
521
522 o       Use call_rcu() -after- removing a data element from an
523         RCU-protected data structure in order to register a callback
524         function that will be invoked after the completion of all RCU
525         read-side critical sections that might be referencing that
526         data item.
527
528 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
529 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
530 to avoid having to write your own callback:
531
532         kfree_rcu(old_fp, rcu);
533
534 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
535
536
537 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
538
539 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
540 implementations that are a good first step towards understanding the
541 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
542 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
543 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
544 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
545 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
546 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcupdate.c for a
547 production-quality implementation, and see:
548
549         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
550
551 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
552 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
553 more details on the current implementation as of early 2004.
554
555
556 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
557
558 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
559 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
560 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
561 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
562 one read-side critical section to another.
563
564 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
565 a good starting point.
566
567 It is extremely simple:
568
569         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
570
571         void rcu_read_lock(void)
572         {
573                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
574         }
575
576         void rcu_read_unlock(void)
577         {
578                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
579         }
580
581         void synchronize_rcu(void)
582         {
583                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
584                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
585         }
586
587 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without
588 missing much.  But here they are anyway.  And whatever you do, don't
589 forget about them when submitting patches making use of RCU!]
590
591         #define rcu_assign_pointer(p, v)        ({ \
592                                                         smp_wmb(); \
593                                                         (p) = (v); \
594                                                 })
595
596         #define rcu_dereference(p)     ({ \
597                                         typeof(p) _________p1 = p; \
598                                         smp_read_barrier_depends(); \
599                                         (_________p1); \
600                                         })
601
602
603 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
604 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
605 primitive write-acquires this same lock, then immediately releases
606 it.  This means that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side
607 critical sections that were in progress before synchronize_rcu() was
608 called are guaranteed to have completed -- there is no way that
609 synchronize_rcu() would have been able to write-acquire the lock
610 otherwise.
611
612 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
613 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
614 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
615 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
616 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
617 so there can be no deadlock cycle.
618
619 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
620                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
621                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
622
623
624 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
625
626 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
627 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
628 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
629 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
630 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
631
632         void rcu_read_lock(void) { }
633
634         void rcu_read_unlock(void) { }
635
636         void synchronize_rcu(void)
637         {
638                 int cpu;
639
640                 for_each_possible_cpu(cpu)
641                         run_on(cpu);
642         }
643
644 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
645 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
646 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
647 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
648 participate in a deadlock cycle!
649
650 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
651 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
652 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
653 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
654 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
655 "toy", I meant -toy-!
656
657 So how the heck is this supposed to work???
658
659 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
660 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
661 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
662 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
663 RCU read-side critical sections will have completed.
664
665 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
666 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
667 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
668 to that data item, so we can safely reclaim it.
669
670 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
671                 overhead is -negative-.
672
673 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
674                 critical section, what the heck do you do in
675                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
676
677
678 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
679
680 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
681 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
682 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
683
684         @@ -13,15 +14,15 @@
685                 struct list_head *lp;
686                 struct el *p;
687
688         -       read_lock();
689         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
690         +       rcu_read_lock();
691         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
692                         if (p->key == key) {
693                                 *result = p->data;
694         -                       read_unlock();
695         +                       rcu_read_unlock();
696                                 return 1;
697                         }
698                 }
699         -       read_unlock();
700         +       rcu_read_unlock();
701                 return 0;
702          }
703
704         @@ -29,15 +30,16 @@
705          {
706                 struct el *p;
707
708         -       write_lock(&listmutex);
709         +       spin_lock(&listmutex);
710                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
711                         if (p->key == key) {
712         -                       list_del(&p->list);
713         -                       write_unlock(&listmutex);
714         +                       list_del_rcu(&p->list);
715         +                       spin_unlock(&listmutex);
716         +                       synchronize_rcu();
717                                 kfree(p);
718                                 return 1;
719                         }
720                 }
721         -       write_unlock(&listmutex);
722         +       spin_unlock(&listmutex);
723                 return 0;
724          }
725
726 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
727
728  1 struct el {                          1 struct el {
729  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
730  3   long key;                          3   long key;
731  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
732  5   int data;                          5   int data;
733  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
734  7 };                                   7 };
735  8 spinlock_t listmutex;                8 spinlock_t listmutex;
736  9 struct el head;                      9 struct el head;
737
738  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
739  2 {                                    2 {
740  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
741  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
742  5                                      5
743  6   read_lock();                       6   rcu_read_lock();
744  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
745  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
746  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
747 10       read_unlock();                10       rcu_read_unlock();
748 11       return 1;                     11       return 1;
749 12     }                               12     }
750 13   }                                 13   }
751 14   read_unlock();                    14   rcu_read_unlock();
752 15   return 0;                         15   return 0;
753 16 }                                   16 }
754
755  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
756  2 {                                    2 {
757  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
758  4                                      4
759  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
760  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
761  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
762  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
763  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
764                                        10       synchronize_rcu();
765 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
766 11       return 1;                     12       return 1;
767 12     }                               13     }
768 13   }                                 14   }
769 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
770 15   return 0;                         16   return 0;
771 16 }                                   17 }
772
773 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
774 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
775 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
776 precedes the kfree().
777
778 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
779 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
780 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
781 For example, if multiple independent list updates must be seen as
782 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
783
784 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
785 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
786 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
787 be used in place of synchronize_rcu().
788
789
790 7.  FULL LIST OF RCU APIs
791
792 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
793 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
794 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
795 in docbook.  Here is the list, by category.
796
797 RCU list traversal:
798
799         list_entry_rcu
800         list_first_entry_rcu
801         list_next_rcu
802         list_for_each_entry_rcu
803         list_for_each_entry_continue_rcu
804         hlist_first_rcu
805         hlist_next_rcu
806         hlist_pprev_rcu
807         hlist_for_each_entry_rcu
808         hlist_for_each_entry_rcu_bh
809         hlist_for_each_entry_continue_rcu
810         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
811         hlist_nulls_first_rcu
812         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
813         hlist_bl_first_rcu
814         hlist_bl_for_each_entry_rcu
815
816 RCU pointer/list update:
817
818         rcu_assign_pointer
819         list_add_rcu
820         list_add_tail_rcu
821         list_del_rcu
822         list_replace_rcu
823         hlist_add_behind_rcu
824         hlist_add_before_rcu
825         hlist_add_head_rcu
826         hlist_del_rcu
827         hlist_del_init_rcu
828         hlist_replace_rcu
829         list_splice_init_rcu()
830         hlist_nulls_del_init_rcu
831         hlist_nulls_del_rcu
832         hlist_nulls_add_head_rcu
833         hlist_bl_add_head_rcu
834         hlist_bl_del_init_rcu
835         hlist_bl_del_rcu
836         hlist_bl_set_first_rcu
837
838 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
839
840         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
841         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
842         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
843         rcu_read_lock_held      call_rcu
844         rcu_dereference_check   kfree_rcu
845         rcu_dereference_protected
846
847 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
848
849         rcu_read_lock_bh        call_rcu_bh             rcu_barrier_bh
850         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu_bh
851         rcu_dereference_bh      synchronize_rcu_bh_expedited
852         rcu_dereference_bh_check
853         rcu_dereference_bh_protected
854         rcu_read_lock_bh_held
855
856 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
857
858         rcu_read_lock_sched     synchronize_sched       rcu_barrier_sched
859         rcu_read_unlock_sched   call_rcu_sched
860         [preempt_disable]       synchronize_sched_expedited
861         [and friends]
862         rcu_read_lock_sched_notrace
863         rcu_read_unlock_sched_notrace
864         rcu_dereference_sched
865         rcu_dereference_sched_check
866         rcu_dereference_sched_protected
867         rcu_read_lock_sched_held
868
869
870 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
871
872         srcu_read_lock          synchronize_srcu        srcu_barrier
873         srcu_read_unlock        call_srcu
874         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
875         srcu_dereference_check
876         srcu_read_lock_held
877
878 SRCU:   Initialization/cleanup
879         init_srcu_struct
880         cleanup_srcu_struct
881
882 All:  lockdep-checked RCU-protected pointer access
883
884         rcu_access_pointer
885         rcu_dereference_raw
886         RCU_LOCKDEP_WARN
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.