doc: rcu: Update core and full API in whatisRCU
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / RCU / whatisRCU.txt
1 What is RCU?  --  "Read, Copy, Update"
2
3 Please note that the "What is RCU?" LWN series is an excellent place
4 to start learning about RCU:
5
6 1.      What is RCU, Fundamentally?  http://lwn.net/Articles/262464/
7 2.      What is RCU? Part 2: Usage   http://lwn.net/Articles/263130/
8 3.      RCU part 3: the RCU API      http://lwn.net/Articles/264090/
9 4.      The RCU API, 2010 Edition    http://lwn.net/Articles/418853/
10         2010 Big API Table           http://lwn.net/Articles/419086/
11 5.      The RCU API, 2014 Edition    http://lwn.net/Articles/609904/
12         2014 Big API Table           http://lwn.net/Articles/609973/
13
14
15 What is RCU?
16
17 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
18 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
19 situations.  Although RCU is actually quite simple once you understand it,
20 getting there can sometimes be a challenge.  Part of the problem is that
21 most of the past descriptions of RCU have been written with the mistaken
22 assumption that there is "one true way" to describe RCU.  Instead,
23 the experience has been that different people must take different paths
24 to arrive at an understanding of RCU.  This document provides several
25 different paths, as follows:
26
27 1.      RCU OVERVIEW
28 2.      WHAT IS RCU'S CORE API?
29 3.      WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
30 4.      WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
31 5.      WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
32 6.      ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
33 7.      FULL LIST OF RCU APIs
34 8.      ANSWERS TO QUICK QUIZZES
35
36 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
37 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
38 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
39 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
40 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
41 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
42 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
43 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
44 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
45
46 So, start with the section that makes the most sense to you and your
47 preferred method of learning.  If you need to know everything about
48 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
49 that type of person, you have perused the source code and will therefore
50 never need this document anyway.  ;-)
51
52
53 1.  RCU OVERVIEW
54
55 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
56 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
57 within a data structure (possibly by replacing them with references to
58 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
59 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
60 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
61 either the old or the new version of the data structure rather than a
62 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
63 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
64 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
65 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
66 not start until readers no longer hold references to those data items.
67
68 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
69 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
70 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
71 completed, either by blocking until they finish or by registering a
72 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
73 during the removal phase need be considered, because any reader starting
74 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
75 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
76
77 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
78
79 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
80         readers cannot gain a reference to it.
81
82 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
83         critical sections.
84
85 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
86         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
87         (e.g., kfree()d).
88
89 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
90 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
91 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
92 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
93 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
94 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
95 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
96 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
97 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
98 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
99 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
100 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
101 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
102 and communications cache misses that are so expensive on present-day
103 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
104
105 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
106 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
107 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
108 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
109 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
110 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
111 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
112 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
113 and reclaimers, namely, in step (b) above.
114
115 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
116 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
117 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
118
119
120 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
121
122 The core RCU API is quite small:
123
124 a.      rcu_read_lock()
125 b.      rcu_read_unlock()
126 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
127 d.      rcu_assign_pointer()
128 e.      rcu_dereference()
129
130 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
131 expressed in terms of these five, though most implementations instead
132 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
133
134 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
135 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
136 at the function header comments.
137
138 rcu_read_lock()
139
140         void rcu_read_lock(void);
141
142         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
143         entering an RCU read-side critical section.  It is illegal
144         to block while in an RCU read-side critical section, though
145         kernels built with CONFIG_PREEMPT_RCU can preempt RCU
146         read-side critical sections.  Any RCU-protected data structure
147         accessed during an RCU read-side critical section is guaranteed to
148         remain unreclaimed for the full duration of that critical section.
149         Reference counts may be used in conjunction with RCU to maintain
150         longer-term references to data structures.
151
152 rcu_read_unlock()
153
154         void rcu_read_unlock(void);
155
156         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
157         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
158         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
159
160 synchronize_rcu()
161
162         void synchronize_rcu(void);
163
164         Marks the end of updater code and the beginning of reclaimer
165         code.  It does this by blocking until all pre-existing RCU
166         read-side critical sections on all CPUs have completed.
167         Note that synchronize_rcu() will -not- necessarily wait for
168         any subsequent RCU read-side critical sections to complete.
169         For example, consider the following sequence of events:
170
171                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
172              ----------------- ------------------------- ---------------
173          1.  rcu_read_lock()
174          2.                    enters synchronize_rcu()
175          3.                                               rcu_read_lock()
176          4.  rcu_read_unlock()
177          5.                     exits synchronize_rcu()
178          6.                                              rcu_read_unlock()
179
180         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
181         read-side critical sections to complete, not necessarily for
182         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
183
184         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
185         -immediately- after the last pre-existing RCU read-side critical
186         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
187         delays.  For another thing, many RCU implementations process
188         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
189         further delay synchronize_rcu().
190
191         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
192         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
193         to be useful in all but the most read-intensive situations,
194         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
195
196         The call_rcu() API is a callback form of synchronize_rcu(),
197         and is described in more detail in a later section.  Instead of
198         blocking, it registers a function and argument which are invoked
199         after all ongoing RCU read-side critical sections have completed.
200         This callback variant is particularly useful in situations where
201         it is illegal to block or where update-side performance is
202         critically important.
203
204         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
205         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
206         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
207         of automatically limiting update rate should grace periods
208         be delayed.  This property results in system resilience in face
209         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
210         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
211         checklist.txt for some approaches to limiting the update rate.
212
213 rcu_assign_pointer()
214
215         typeof(p) rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
216
217         Yes, rcu_assign_pointer() -is- implemented as a macro, though it
218         would be cool to be able to declare a function in this manner.
219         (Compiler experts will no doubt disagree.)
220
221         The updater uses this function to assign a new value to an
222         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
223         in value from the updater to the reader.  This function returns
224         the new value, and also executes any memory-barrier instructions
225         required for a given CPU architecture.
226
227         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
228         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
229         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
230         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
231         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
232
233 rcu_dereference()
234
235         typeof(p) rcu_dereference(p);
236
237         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
238         as a macro.
239
240         The reader uses rcu_dereference() to fetch an RCU-protected
241         pointer, which returns a value that may then be safely
242         dereferenced.  Note that rcu_dereference() does not actually
243         dereference the pointer, instead, it protects the pointer for
244         later dereferencing.  It also executes any needed memory-barrier
245         instructions for a given CPU architecture.  Currently, only Alpha
246         needs memory barriers within rcu_dereference() -- on other CPUs,
247         it compiles to nothing, not even a compiler directive.
248
249         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
250         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
251         this local variable, for example as follows:
252
253                 p = rcu_dereference(head.next);
254                 return p->data;
255
256         However, in this case, one could just as easily combine these
257         into one statement:
258
259                 return rcu_dereference(head.next)->data;
260
261         If you are going to be fetching multiple fields from the
262         RCU-protected structure, using the local variable is of
263         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
264         ugly, do not guarantee that the same pointer will be returned
265         if an update happened while in the critical section, and incur
266         unnecessary overhead on Alpha CPUs.
267
268         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
269         only within the enclosing RCU read-side critical section.
270         For example, the following is -not- legal:
271
272                 rcu_read_lock();
273                 p = rcu_dereference(head.next);
274                 rcu_read_unlock();
275                 x = p->address; /* BUG!!! */
276                 rcu_read_lock();
277                 y = p->data;    /* BUG!!! */
278                 rcu_read_unlock();
279
280         Holding a reference from one RCU read-side critical section
281         to another is just as illegal as holding a reference from
282         one lock-based critical section to another!  Similarly,
283         using a reference outside of the critical section in which
284         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
285         locking.
286
287         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
288         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
289         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
290         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
291         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
292         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
293         primitives, such as list_for_each_entry_rcu().
294
295 The following diagram shows how each API communicates among the
296 reader, updater, and reclaimer.
297
298
299             rcu_assign_pointer()
300                                     +--------+
301             +---------------------->| reader |---------+
302             |                       +--------+         |
303             |                           |              |
304             |                           |              | Protect:
305             |                           |              | rcu_read_lock()
306             |                           |              | rcu_read_unlock()
307             |        rcu_dereference()  |              |
308        +---------+                      |              |
309        | updater |<---------------------+              |
310        +---------+                                     V
311             |                                    +-----------+
312             +----------------------------------->| reclaimer |
313                                                  +-----------+
314               Defer:
315               synchronize_rcu() & call_rcu()
316
317
318 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
319 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
320 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
321 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
322 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
323 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
324
325 There are at least three flavors of RCU usage in the Linux kernel. The diagram
326 above shows the most common one. On the updater side, the rcu_assign_pointer(),
327 sychronize_rcu() and call_rcu() primitives used are the same for all three
328 flavors. However for protection (on the reader side), the primitives used vary
329 depending on the flavor:
330
331 a.      rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
332         rcu_dereference()
333
334 b.      rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
335         local_bh_disable() / local_bh_enable()
336         rcu_dereference_bh()
337
338 c.      rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
339         preempt_disable() / preempt_enable()
340         local_irq_save() / local_irq_restore()
341         hardirq enter / hardirq exit
342         NMI enter / NMI exit
343         rcu_dereference_sched()
344
345 These three flavors are used as follows:
346
347 a.      RCU applied to normal data structures.
348
349 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
350         to remote denial-of-service attacks.
351
352 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
353
354 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
355 for specialized uses, but are relatively uncommon.
356
357
358 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
359
360 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
361 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
362 uses of RCU may be found in listRCU.txt, arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
363
364         struct foo {
365                 int a;
366                 char b;
367                 long c;
368         };
369         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
370
371         struct foo __rcu *gbl_foo;
372
373         /*
374          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
375          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
376          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
377          * frees up the old structure after a grace period.
378          *
379          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
380          * see the initialized version of the new structure.
381          *
382          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
383          * have references to the old structure complete before freeing
384          * the old structure.
385          */
386         void foo_update_a(int new_a)
387         {
388                 struct foo *new_fp;
389                 struct foo *old_fp;
390
391                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
392                 spin_lock(&foo_mutex);
393                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
394                 *new_fp = *old_fp;
395                 new_fp->a = new_a;
396                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
397                 spin_unlock(&foo_mutex);
398                 synchronize_rcu();
399                 kfree(old_fp);
400         }
401
402         /*
403          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
404          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
405          * to ensure that the structure does not get deleted out
406          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
407          * we see the initialized version of the structure (important
408          * for DEC Alpha and for people reading the code).
409          */
410         int foo_get_a(void)
411         {
412                 int retval;
413
414                 rcu_read_lock();
415                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
416                 rcu_read_unlock();
417                 return retval;
418         }
419
420 So, to sum up:
421
422 o       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
423         read-side critical sections.
424
425 o       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
426         to dereference RCU-protected pointers.
427
428 o       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
429         keep concurrent updates from interfering with each other.
430
431 o       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
432         This primitive protects concurrent readers from the updater,
433         -not- concurrent updates from each other!  You therefore still
434         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
435         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
436
437 o       Use synchronize_rcu() -after- removing a data element from an
438         RCU-protected data structure, but -before- reclaiming/freeing
439         the data element, in order to wait for the completion of all
440         RCU read-side critical sections that might be referencing that
441         data item.
442
443 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
444 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.txt,
445 arrayRCU.txt, and NMI-RCU.txt.
446
447
448 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
449
450 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
451 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
452 long -- there might be other high-priority work to be done.
453
454 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
455 The call_rcu() API is as follows:
456
457         void call_rcu(struct rcu_head * head,
458                       void (*func)(struct rcu_head *head));
459
460 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
461 This invocation might happen from either softirq or process context,
462 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
463 have an rcu_head structure added, perhaps as follows:
464
465         struct foo {
466                 int a;
467                 char b;
468                 long c;
469                 struct rcu_head rcu;
470         };
471
472 The foo_update_a() function might then be written as follows:
473
474         /*
475          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
476          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
477          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
478          * frees up the old structure after a grace period.
479          *
480          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
481          * see the initialized version of the new structure.
482          *
483          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
484          * references to the old structure complete before freeing the
485          * old structure.
486          */
487         void foo_update_a(int new_a)
488         {
489                 struct foo *new_fp;
490                 struct foo *old_fp;
491
492                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
493                 spin_lock(&foo_mutex);
494                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
495                 *new_fp = *old_fp;
496                 new_fp->a = new_a;
497                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
498                 spin_unlock(&foo_mutex);
499                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
500         }
501
502 The foo_reclaim() function might appear as follows:
503
504         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
505         {
506                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
507
508                 foo_cleanup(fp->a);
509
510                 kfree(fp);
511         }
512
513 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
514 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
515 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
516
517 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
518 immediately regain control, without needing to worry further about the
519 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
520 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
521 namely foo_reclaim().
522
523 The summary of advice is the same as for the previous section, except
524 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
525
526 o       Use call_rcu() -after- removing a data element from an
527         RCU-protected data structure in order to register a callback
528         function that will be invoked after the completion of all RCU
529         read-side critical sections that might be referencing that
530         data item.
531
532 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
533 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
534 to avoid having to write your own callback:
535
536         kfree_rcu(old_fp, rcu);
537
538 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
539
540
541 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
542
543 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
544 implementations that are a good first step towards understanding the
545 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
546 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
547 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
548 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
549 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
550 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcupdate.c for a
551 production-quality implementation, and see:
552
553         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
554
555 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
556 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
557 more details on the current implementation as of early 2004.
558
559
560 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
561
562 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
563 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
564 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
565 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
566 one read-side critical section to another.  It also assumes recursive
567 reader-writer locks:  If you try this with non-recursive locks, and
568 you allow nested rcu_read_lock() calls, you can deadlock.
569
570 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
571 a good starting point.
572
573 It is extremely simple:
574
575         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
576
577         void rcu_read_lock(void)
578         {
579                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
580         }
581
582         void rcu_read_unlock(void)
583         {
584                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
585         }
586
587         void synchronize_rcu(void)
588         {
589                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
590                 smp_mb__after_spinlock();
591                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
592         }
593
594 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without missing
595 much.  But here are simplified versions anyway.  And whatever you do,
596 don't forget about them when submitting patches making use of RCU!]
597
598         #define rcu_assign_pointer(p, v) \
599         ({ \
600                 smp_store_release(&(p), (v)); \
601         })
602
603         #define rcu_dereference(p) \
604         ({ \
605                 typeof(p) _________p1 = READ_ONCE(p); \
606                 (_________p1); \
607         })
608
609
610 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
611 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
612 primitive write-acquires this same lock, then releases it.  This means
613 that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side critical sections
614 that were in progress before synchronize_rcu() was called are guaranteed
615 to have completed -- there is no way that synchronize_rcu() would have
616 been able to write-acquire the lock otherwise.  The smp_mb__after_spinlock()
617 promotes synchronize_rcu() to a full memory barrier in compliance with
618 the "Memory-Barrier Guarantees" listed in:
619
620         Documentation/RCU/Design/Requirements/Requirements.html.
621
622 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
623 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
624 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
625 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
626 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
627 so there can be no deadlock cycle.
628
629 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
630                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
631                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
632
633
634 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
635
636 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
637 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
638 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
639 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
640 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
641
642         void rcu_read_lock(void) { }
643
644         void rcu_read_unlock(void) { }
645
646         void synchronize_rcu(void)
647         {
648                 int cpu;
649
650                 for_each_possible_cpu(cpu)
651                         run_on(cpu);
652         }
653
654 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
655 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
656 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
657 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
658 participate in a deadlock cycle!
659
660 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
661 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
662 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
663 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
664 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
665 "toy", I meant -toy-!
666
667 So how the heck is this supposed to work???
668
669 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
670 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
671 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
672 Once -all- CPUs have executed a context switch, then -all- preceding
673 RCU read-side critical sections will have completed.
674
675 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
676 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
677 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
678 to that data item, so we can safely reclaim it.
679
680 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
681                 overhead is -negative-.
682
683 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
684                 critical section, what the heck do you do in
685                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
686
687
688 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
689
690 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
691 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
692 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
693
694         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
695                 int data;
696                 /* Other data fields */
697          };
698         -rwlock_t listmutex;
699         +spinlock_t listmutex;
700          struct el head;
701
702         @@ -13,15 +14,15 @@
703                 struct list_head *lp;
704                 struct el *p;
705
706         -       read_lock(&listmutex);
707         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
708         +       rcu_read_lock();
709         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
710                         if (p->key == key) {
711                                 *result = p->data;
712         -                       read_unlock(&listmutex);
713         +                       rcu_read_unlock();
714                                 return 1;
715                         }
716                 }
717         -       read_unlock(&listmutex);
718         +       rcu_read_unlock();
719                 return 0;
720          }
721
722         @@ -29,15 +30,16 @@
723          {
724                 struct el *p;
725
726         -       write_lock(&listmutex);
727         +       spin_lock(&listmutex);
728                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
729                         if (p->key == key) {
730         -                       list_del(&p->list);
731         -                       write_unlock(&listmutex);
732         +                       list_del_rcu(&p->list);
733         +                       spin_unlock(&listmutex);
734         +                       synchronize_rcu();
735                                 kfree(p);
736                                 return 1;
737                         }
738                 }
739         -       write_unlock(&listmutex);
740         +       spin_unlock(&listmutex);
741                 return 0;
742          }
743
744 Or, for those who prefer a side-by-side listing:
745
746  1 struct el {                          1 struct el {
747  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
748  3   long key;                          3   long key;
749  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
750  5   int data;                          5   int data;
751  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
752  7 };                                   7 };
753  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
754  9 struct el head;                      9 struct el head;
755
756  1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
757  2 {                                    2 {
758  3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
759  4   struct el *p;                      4   struct el *p;
760  5                                      5
761  6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
762  7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
763  8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
764  9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
765 10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
766 11       return 1;                     11       return 1;
767 12     }                               12     }
768 13   }                                 13   }
769 14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
770 15   return 0;                         15   return 0;
771 16 }                                   16 }
772
773  1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
774  2 {                                    2 {
775  3   struct el *p;                      3   struct el *p;
776  4                                      4
777  5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
778  6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
779  7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
780  8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
781  9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
782                                        10       synchronize_rcu();
783 10       kfree(p);                     11       kfree(p);
784 11       return 1;                     12       return 1;
785 12     }                               13     }
786 13   }                                 14   }
787 14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
788 15   return 0;                         16   return 0;
789 16 }                                   17 }
790
791 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
792 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
793 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
794 precedes the kfree().
795
796 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
797 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
798 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
799 For example, if multiple independent list updates must be seen as
800 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
801
802 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
803 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
804 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
805 be used in place of synchronize_rcu().
806
807
808 7.  FULL LIST OF RCU APIs
809
810 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
811 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
812 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
813 in docbook.  Here is the list, by category.
814
815 RCU list traversal:
816
817         list_entry_rcu
818         list_first_entry_rcu
819         list_next_rcu
820         list_for_each_entry_rcu
821         list_for_each_entry_continue_rcu
822         list_for_each_entry_from_rcu
823         hlist_first_rcu
824         hlist_next_rcu
825         hlist_pprev_rcu
826         hlist_for_each_entry_rcu
827         hlist_for_each_entry_rcu_bh
828         hlist_for_each_entry_from_rcu
829         hlist_for_each_entry_continue_rcu
830         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
831         hlist_nulls_first_rcu
832         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
833         hlist_bl_first_rcu
834         hlist_bl_for_each_entry_rcu
835
836 RCU pointer/list update:
837
838         rcu_assign_pointer
839         list_add_rcu
840         list_add_tail_rcu
841         list_del_rcu
842         list_replace_rcu
843         hlist_add_behind_rcu
844         hlist_add_before_rcu
845         hlist_add_head_rcu
846         hlist_del_rcu
847         hlist_del_init_rcu
848         hlist_replace_rcu
849         list_splice_init_rcu()
850         hlist_nulls_del_init_rcu
851         hlist_nulls_del_rcu
852         hlist_nulls_add_head_rcu
853         hlist_bl_add_head_rcu
854         hlist_bl_del_init_rcu
855         hlist_bl_del_rcu
856         hlist_bl_set_first_rcu
857
858 RCU:    Critical sections       Grace period            Barrier
859
860         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
861         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
862         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
863         rcu_read_lock_held      call_rcu
864         rcu_dereference_check   kfree_rcu
865         rcu_dereference_protected
866
867 bh:     Critical sections       Grace period            Barrier
868
869         rcu_read_lock_bh        call_rcu                rcu_barrier
870         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu
871         [local_bh_disable]      synchronize_rcu_expedited
872         [and friends]
873         rcu_dereference_bh
874         rcu_dereference_bh_check
875         rcu_dereference_bh_protected
876         rcu_read_lock_bh_held
877
878 sched:  Critical sections       Grace period            Barrier
879
880         rcu_read_lock_sched     call_rcu                rcu_barrier
881         rcu_read_unlock_sched   synchronize_rcu
882         [preempt_disable]       synchronize_rcu_expedited
883         [and friends]
884         rcu_read_lock_sched_notrace
885         rcu_read_unlock_sched_notrace
886         rcu_dereference_sched
887         rcu_dereference_sched_check
888         rcu_dereference_sched_protected
889         rcu_read_lock_sched_held
890
891
892 SRCU:   Critical sections       Grace period            Barrier
893
894         srcu_read_lock          call_srcu               srcu_barrier
895         srcu_read_unlock        synchronize_srcu
896         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
897         srcu_dereference_check
898         srcu_read_lock_held
899
900 SRCU:   Initialization/cleanup
901         DEFINE_SRCU
902         DEFINE_STATIC_SRCU
903         init_srcu_struct
904         cleanup_srcu_struct
905
906 All:  lockdep-checked RCU-protected pointer access
907
908         rcu_access_pointer
909         rcu_dereference_raw
910         RCU_LOCKDEP_WARN
911         rcu_sleep_check
912         RCU_NONIDLE
913
914 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
915 from them) for more information.
916
917 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
918 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
919 list can be helpful:
920
921 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
922
923 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
924         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
925         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
926         necessary.  (The -rt patchset turns spinlocks into sleeplocks,
927         hence this distinction.)
928
929 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
930         and code segments with preemption disabled (whether
931         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
932         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
933         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
934
935 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
936         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
937         example, is your code subject to network-based denial-of-service
938         attacks?  If so, you should disable softirq across your readers,
939         for example, by using rcu_read_lock_bh().
940
941 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
942         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
943         If so, consider SLAB_TYPESAFE_BY_RCU (which was originally
944         named SLAB_DESTROY_BY_RCU).  But please be careful!
945
946 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
947         even though they are in the middle of the idle loop, during
948         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
949         only choice that will work for you.
950
951 g.      Otherwise, use RCU.
952
953 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
954 the right tool for your job.
955
956
957 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
958
959 Quick Quiz #1:  Why is this argument naive?  How could a deadlock
960                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
961                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
962                 algorithm.]
963
964 Answer:         Consider the following sequence of events:
965
966                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
967                         "problematic_lock", disabling irq via
968                         spin_lock_irqsave().
969
970                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
971                         rcu_gp_mutex.
972
973                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
974                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
975
976                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
977                         attempts to acquire problematic_lock.
978
979                 The system is now deadlocked.
980
981                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
982                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
983                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
984                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
985                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
986                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
987
988                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
989                 allows latency to "bleed" from readers to other
990                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
991                 consider task A in an RCU read-side critical section
992                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
993                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
994                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
995                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
996                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
997                 task B.
998
999                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
1000                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
1001                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
1002
1003 Quick Quiz #2:  Give an example where Classic RCU's read-side
1004                 overhead is -negative-.
1005
1006 Answer:         Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
1007                 kernel where a routing table is used by process-context
1008                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
1009                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
1010                 this would be to have the process-context code disable
1011                 interrupts while searching the routing table.  Use of
1012                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
1013                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
1014                 and with RCU you don't.
1015
1016                 One can argue that the overhead of RCU in this
1017                 case is negative with respect to the single-CPU
1018                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1019                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1020                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1021                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1022                 negative overhead.
1023
1024                 In real life, of course, things are more complex.  But
1025                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1026                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1027
1028 Quick Quiz #3:  If it is illegal to block in an RCU read-side
1029                 critical section, what the heck do you do in
1030                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1031
1032 Answer:         Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1033                 critical sections, it permits preemption of RCU
1034                 read-side critical sections.  It also permits
1035                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1036                 sections.
1037
1038                 Why the apparent inconsistency?  Because it is
1039                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1040                 grace periods short if need be (for example, if running
1041                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1042                 for (say) network reception, there is no way to know
1043                 what should be boosted.  Especially given that the
1044                 process we need to boost might well be a human being
1045                 who just went out for a pizza or something.  And although
1046                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1047                 interest, it might also provoke serious objections.
1048                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1049                 the human being went to???
1050
1051
1052 ACKNOWLEDGEMENTS
1053
1054 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1055 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1056
1057
1058 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.