Merge tag 'ext4_for_linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/tytso...
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / RCU / whatisRCU.rst
1 .. _whatisrcu_doc:
2
3 What is RCU?  --  "Read, Copy, Update"
4 ======================================
5
6 Please note that the "What is RCU?" LWN series is an excellent place
7 to start learning about RCU:
8
9 | 1.    What is RCU, Fundamentally?  http://lwn.net/Articles/262464/
10 | 2.    What is RCU? Part 2: Usage   http://lwn.net/Articles/263130/
11 | 3.    RCU part 3: the RCU API      http://lwn.net/Articles/264090/
12 | 4.    The RCU API, 2010 Edition    http://lwn.net/Articles/418853/
13 |       2010 Big API Table           http://lwn.net/Articles/419086/
14 | 5.    The RCU API, 2014 Edition    http://lwn.net/Articles/609904/
15 |       2014 Big API Table           http://lwn.net/Articles/609973/
16
17
18 What is RCU?
19
20 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
21 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
22 situations.  Although RCU is actually quite simple once you understand it,
23 getting there can sometimes be a challenge.  Part of the problem is that
24 most of the past descriptions of RCU have been written with the mistaken
25 assumption that there is "one true way" to describe RCU.  Instead,
26 the experience has been that different people must take different paths
27 to arrive at an understanding of RCU.  This document provides several
28 different paths, as follows:
29
30 :ref:`1.        RCU OVERVIEW <1_whatisRCU>`
31
32 :ref:`2.        WHAT IS RCU'S CORE API? <2_whatisRCU>`
33
34 :ref:`3.        WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API? <3_whatisRCU>`
35
36 :ref:`4.        WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK? <4_whatisRCU>`
37
38 :ref:`5.        WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU? <5_whatisRCU>`
39
40 :ref:`6.        ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING <6_whatisRCU>`
41
42 :ref:`7.        FULL LIST OF RCU APIs <7_whatisRCU>`
43
44 :ref:`8.        ANSWERS TO QUICK QUIZZES <8_whatisRCU>`
45
46 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
47 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
48 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
49 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
50 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
51 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
52 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
53 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
54 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
55
56 So, start with the section that makes the most sense to you and your
57 preferred method of learning.  If you need to know everything about
58 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
59 that type of person, you have perused the source code and will therefore
60 never need this document anyway.  ;-)
61
62 .. _1_whatisRCU:
63
64 1.  RCU OVERVIEW
65 ----------------
66
67 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
68 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
69 within a data structure (possibly by replacing them with references to
70 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
71 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
72 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
73 either the old or the new version of the data structure rather than a
74 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
75 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
76 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
77 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
78 not start until readers no longer hold references to those data items.
79
80 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
81 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
82 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
83 completed, either by blocking until they finish or by registering a
84 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
85 during the removal phase need be considered, because any reader starting
86 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
87 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
88
89 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
90
91 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
92         readers cannot gain a reference to it.
93
94 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
95         critical sections.
96
97 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
98         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
99         (e.g., kfree()d).
100
101 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
102 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
103 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
104 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
105 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
106 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
107 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
108 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
109 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
110 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
111 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
112 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
113 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
114 and communications cache misses that are so expensive on present-day
115 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
116
117 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
118 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
119 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
120 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
121 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
122 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
123 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
124 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
125 and reclaimers, namely, in step (b) above.
126
127 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
128 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
129 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
130
131 .. _2_whatisRCU:
132
133 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
134 ---------------------------
135
136 The core RCU API is quite small:
137
138 a.      rcu_read_lock()
139 b.      rcu_read_unlock()
140 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
141 d.      rcu_assign_pointer()
142 e.      rcu_dereference()
143
144 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
145 expressed in terms of these five, though most implementations instead
146 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
147
148 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
149 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
150 at the function header comments.
151
152 rcu_read_lock()
153 ^^^^^^^^^^^^^^^
154         void rcu_read_lock(void);
155
156         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
157         entering an RCU read-side critical section.  It is illegal
158         to block while in an RCU read-side critical section, though
159         kernels built with CONFIG_PREEMPT_RCU can preempt RCU
160         read-side critical sections.  Any RCU-protected data structure
161         accessed during an RCU read-side critical section is guaranteed to
162         remain unreclaimed for the full duration of that critical section.
163         Reference counts may be used in conjunction with RCU to maintain
164         longer-term references to data structures.
165
166 rcu_read_unlock()
167 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
168         void rcu_read_unlock(void);
169
170         Used by a reader to inform the reclaimer that the reader is
171         exiting an RCU read-side critical section.  Note that RCU
172         read-side critical sections may be nested and/or overlapping.
173
174 synchronize_rcu()
175 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
176         void synchronize_rcu(void);
177
178         Marks the end of updater code and the beginning of reclaimer
179         code.  It does this by blocking until all pre-existing RCU
180         read-side critical sections on all CPUs have completed.
181         Note that synchronize_rcu() will **not** necessarily wait for
182         any subsequent RCU read-side critical sections to complete.
183         For example, consider the following sequence of events::
184
185                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
186              ----------------- ------------------------- ---------------
187          1.  rcu_read_lock()
188          2.                    enters synchronize_rcu()
189          3.                                               rcu_read_lock()
190          4.  rcu_read_unlock()
191          5.                     exits synchronize_rcu()
192          6.                                              rcu_read_unlock()
193
194         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
195         read-side critical sections to complete, not necessarily for
196         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
197
198         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
199         **immediately** after the last pre-existing RCU read-side critical
200         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
201         delays.  For another thing, many RCU implementations process
202         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
203         further delay synchronize_rcu().
204
205         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
206         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
207         to be useful in all but the most read-intensive situations,
208         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
209
210         The call_rcu() API is a callback form of synchronize_rcu(),
211         and is described in more detail in a later section.  Instead of
212         blocking, it registers a function and argument which are invoked
213         after all ongoing RCU read-side critical sections have completed.
214         This callback variant is particularly useful in situations where
215         it is illegal to block or where update-side performance is
216         critically important.
217
218         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
219         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
220         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
221         of automatically limiting update rate should grace periods
222         be delayed.  This property results in system resilience in face
223         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
224         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
225         checklist.txt for some approaches to limiting the update rate.
226
227 rcu_assign_pointer()
228 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
229         void rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
230
231         Yes, rcu_assign_pointer() **is** implemented as a macro, though it
232         would be cool to be able to declare a function in this manner.
233         (Compiler experts will no doubt disagree.)
234
235         The updater uses this function to assign a new value to an
236         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
237         in value from the updater to the reader.  This macro does not
238         evaluate to an rvalue, but it does execute any memory-barrier
239         instructions required for a given CPU architecture.
240
241         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
242         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
243         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
244         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
245         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
246
247 rcu_dereference()
248 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
249         typeof(p) rcu_dereference(p);
250
251         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
252         as a macro.
253
254         The reader uses rcu_dereference() to fetch an RCU-protected
255         pointer, which returns a value that may then be safely
256         dereferenced.  Note that rcu_dereference() does not actually
257         dereference the pointer, instead, it protects the pointer for
258         later dereferencing.  It also executes any needed memory-barrier
259         instructions for a given CPU architecture.  Currently, only Alpha
260         needs memory barriers within rcu_dereference() -- on other CPUs,
261         it compiles to nothing, not even a compiler directive.
262
263         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
264         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
265         this local variable, for example as follows::
266
267                 p = rcu_dereference(head.next);
268                 return p->data;
269
270         However, in this case, one could just as easily combine these
271         into one statement::
272
273                 return rcu_dereference(head.next)->data;
274
275         If you are going to be fetching multiple fields from the
276         RCU-protected structure, using the local variable is of
277         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
278         ugly, do not guarantee that the same pointer will be returned
279         if an update happened while in the critical section, and incur
280         unnecessary overhead on Alpha CPUs.
281
282         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
283         only within the enclosing RCU read-side critical section [1]_.
284         For example, the following is **not** legal::
285
286                 rcu_read_lock();
287                 p = rcu_dereference(head.next);
288                 rcu_read_unlock();
289                 x = p->address; /* BUG!!! */
290                 rcu_read_lock();
291                 y = p->data;    /* BUG!!! */
292                 rcu_read_unlock();
293
294         Holding a reference from one RCU read-side critical section
295         to another is just as illegal as holding a reference from
296         one lock-based critical section to another!  Similarly,
297         using a reference outside of the critical section in which
298         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
299         locking.
300
301         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
302         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
303         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
304         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
305         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
306         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
307         primitives, such as list_for_each_entry_rcu() [2]_.
308
309 ..      [1] The variant rcu_dereference_protected() can be used outside
310         of an RCU read-side critical section as long as the usage is
311         protected by locks acquired by the update-side code.  This variant
312         avoids the lockdep warning that would happen when using (for
313         example) rcu_dereference() without rcu_read_lock() protection.
314         Using rcu_dereference_protected() also has the advantage
315         of permitting compiler optimizations that rcu_dereference()
316         must prohibit.  The rcu_dereference_protected() variant takes
317         a lockdep expression to indicate which locks must be acquired
318         by the caller. If the indicated protection is not provided,
319         a lockdep splat is emitted.  See Documentation/RCU/Design/Requirements/Requirements.rst
320         and the API's code comments for more details and example usage.
321
322 ..      [2] If the list_for_each_entry_rcu() instance might be used by
323         update-side code as well as by RCU readers, then an additional
324         lockdep expression can be added to its list of arguments.
325         For example, given an additional "lock_is_held(&mylock)" argument,
326         the RCU lockdep code would complain only if this instance was
327         invoked outside of an RCU read-side critical section and without
328         the protection of mylock.
329
330 The following diagram shows how each API communicates among the
331 reader, updater, and reclaimer.
332 ::
333
334
335             rcu_assign_pointer()
336                                     +--------+
337             +---------------------->| reader |---------+
338             |                       +--------+         |
339             |                           |              |
340             |                           |              | Protect:
341             |                           |              | rcu_read_lock()
342             |                           |              | rcu_read_unlock()
343             |        rcu_dereference()  |              |
344             +---------+                 |              |
345             | updater |<----------------+              |
346             +---------+                                V
347             |                                    +-----------+
348             +----------------------------------->| reclaimer |
349                                                  +-----------+
350               Defer:
351               synchronize_rcu() & call_rcu()
352
353
354 The RCU infrastructure observes the time sequence of rcu_read_lock(),
355 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
356 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
357 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
358 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
359 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
360
361 There are at least three flavors of RCU usage in the Linux kernel. The diagram
362 above shows the most common one. On the updater side, the rcu_assign_pointer(),
363 synchronize_rcu() and call_rcu() primitives used are the same for all three
364 flavors. However for protection (on the reader side), the primitives used vary
365 depending on the flavor:
366
367 a.      rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
368         rcu_dereference()
369
370 b.      rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
371         local_bh_disable() / local_bh_enable()
372         rcu_dereference_bh()
373
374 c.      rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
375         preempt_disable() / preempt_enable()
376         local_irq_save() / local_irq_restore()
377         hardirq enter / hardirq exit
378         NMI enter / NMI exit
379         rcu_dereference_sched()
380
381 These three flavors are used as follows:
382
383 a.      RCU applied to normal data structures.
384
385 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
386         to remote denial-of-service attacks.
387
388 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
389
390 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
391 for specialized uses, but are relatively uncommon.
392
393 .. _3_whatisRCU:
394
395 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
396 -----------------------------------------------
397
398 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
399 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
400 uses of RCU may be found in :ref:`listRCU.rst <list_rcu_doc>`,
401 :ref:`arrayRCU.rst <array_rcu_doc>`, and :ref:`NMI-RCU.rst <NMI_rcu_doc>`.
402 ::
403
404         struct foo {
405                 int a;
406                 char b;
407                 long c;
408         };
409         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
410
411         struct foo __rcu *gbl_foo;
412
413         /*
414          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
415          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
416          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
417          * frees up the old structure after a grace period.
418          *
419          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
420          * see the initialized version of the new structure.
421          *
422          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
423          * have references to the old structure complete before freeing
424          * the old structure.
425          */
426         void foo_update_a(int new_a)
427         {
428                 struct foo *new_fp;
429                 struct foo *old_fp;
430
431                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
432                 spin_lock(&foo_mutex);
433                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
434                 *new_fp = *old_fp;
435                 new_fp->a = new_a;
436                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
437                 spin_unlock(&foo_mutex);
438                 synchronize_rcu();
439                 kfree(old_fp);
440         }
441
442         /*
443          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
444          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
445          * to ensure that the structure does not get deleted out
446          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
447          * we see the initialized version of the structure (important
448          * for DEC Alpha and for people reading the code).
449          */
450         int foo_get_a(void)
451         {
452                 int retval;
453
454                 rcu_read_lock();
455                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
456                 rcu_read_unlock();
457                 return retval;
458         }
459
460 So, to sum up:
461
462 -       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
463         read-side critical sections.
464
465 -       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
466         to dereference RCU-protected pointers.
467
468 -       Use some solid scheme (such as locks or semaphores) to
469         keep concurrent updates from interfering with each other.
470
471 -       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
472         This primitive protects concurrent readers from the updater,
473         **not** concurrent updates from each other!  You therefore still
474         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
475         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
476
477 -       Use synchronize_rcu() **after** removing a data element from an
478         RCU-protected data structure, but **before** reclaiming/freeing
479         the data element, in order to wait for the completion of all
480         RCU read-side critical sections that might be referencing that
481         data item.
482
483 See checklist.txt for additional rules to follow when using RCU.
484 And again, more-typical uses of RCU may be found in :ref:`listRCU.rst
485 <list_rcu_doc>`, :ref:`arrayRCU.rst <array_rcu_doc>`, and :ref:`NMI-RCU.rst
486 <NMI_rcu_doc>`.
487
488 .. _4_whatisRCU:
489
490 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
491 --------------------------------------------
492
493 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
494 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
495 long -- there might be other high-priority work to be done.
496
497 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
498 The call_rcu() API is as follows::
499
500         void call_rcu(struct rcu_head *head, rcu_callback_t func);
501
502 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
503 This invocation might happen from either softirq or process context,
504 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
505 have an rcu_head structure added, perhaps as follows::
506
507         struct foo {
508                 int a;
509                 char b;
510                 long c;
511                 struct rcu_head rcu;
512         };
513
514 The foo_update_a() function might then be written as follows::
515
516         /*
517          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
518          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
519          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
520          * frees up the old structure after a grace period.
521          *
522          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
523          * see the initialized version of the new structure.
524          *
525          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
526          * references to the old structure complete before freeing the
527          * old structure.
528          */
529         void foo_update_a(int new_a)
530         {
531                 struct foo *new_fp;
532                 struct foo *old_fp;
533
534                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
535                 spin_lock(&foo_mutex);
536                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
537                 *new_fp = *old_fp;
538                 new_fp->a = new_a;
539                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
540                 spin_unlock(&foo_mutex);
541                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
542         }
543
544 The foo_reclaim() function might appear as follows::
545
546         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
547         {
548                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
549
550                 foo_cleanup(fp->a);
551
552                 kfree(fp);
553         }
554
555 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
556 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
557 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
558
559 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
560 immediately regain control, without needing to worry further about the
561 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
562 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
563 namely foo_reclaim().
564
565 The summary of advice is the same as for the previous section, except
566 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
567
568 -       Use call_rcu() **after** removing a data element from an
569         RCU-protected data structure in order to register a callback
570         function that will be invoked after the completion of all RCU
571         read-side critical sections that might be referencing that
572         data item.
573
574 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
575 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
576 to avoid having to write your own callback::
577
578         kfree_rcu(old_fp, rcu);
579
580 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
581
582 .. _5_whatisRCU:
583
584 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
585 ------------------------------------------------
586
587 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
588 implementations that are a good first step towards understanding the
589 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
590 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
591 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
592 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
593 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
594 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcu/update.c for a
595 production-quality implementation, and see:
596
597         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
598
599 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
600 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
601 more details on the current implementation as of early 2004.
602
603
604 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
605 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
606 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
607 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
608 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
609 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
610 one read-side critical section to another.  It also assumes recursive
611 reader-writer locks:  If you try this with non-recursive locks, and
612 you allow nested rcu_read_lock() calls, you can deadlock.
613
614 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
615 a good starting point.
616
617 It is extremely simple::
618
619         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
620
621         void rcu_read_lock(void)
622         {
623                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
624         }
625
626         void rcu_read_unlock(void)
627         {
628                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
629         }
630
631         void synchronize_rcu(void)
632         {
633                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
634                 smp_mb__after_spinlock();
635                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
636         }
637
638 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without missing
639 much.  But here are simplified versions anyway.  And whatever you do,
640 don't forget about them when submitting patches making use of RCU!]::
641
642         #define rcu_assign_pointer(p, v) \
643         ({ \
644                 smp_store_release(&(p), (v)); \
645         })
646
647         #define rcu_dereference(p) \
648         ({ \
649                 typeof(p) _________p1 = READ_ONCE(p); \
650                 (_________p1); \
651         })
652
653
654 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
655 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
656 primitive write-acquires this same lock, then releases it.  This means
657 that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side critical sections
658 that were in progress before synchronize_rcu() was called are guaranteed
659 to have completed -- there is no way that synchronize_rcu() would have
660 been able to write-acquire the lock otherwise.  The smp_mb__after_spinlock()
661 promotes synchronize_rcu() to a full memory barrier in compliance with
662 the "Memory-Barrier Guarantees" listed in:
663
664         Documentation/RCU/Design/Requirements/Requirements.rst
665
666 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
667 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
668 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
669 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
670 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
671 so there can be no deadlock cycle.
672
673 .. _quiz_1:
674
675 Quick Quiz #1:
676                 Why is this argument naive?  How could a deadlock
677                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
678                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
679
680 :ref:`Answers to Quick Quiz <8_whatisRCU>`
681
682 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
683 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
684 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
685 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
686 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
687 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
688 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
689 ::
690
691         void rcu_read_lock(void) { }
692
693         void rcu_read_unlock(void) { }
694
695         void synchronize_rcu(void)
696         {
697                 int cpu;
698
699                 for_each_possible_cpu(cpu)
700                         run_on(cpu);
701         }
702
703 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
704 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
705 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
706 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
707 participate in a deadlock cycle!
708
709 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
710 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
711 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
712 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
713 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
714 "toy", I meant **toy**!
715
716 So how the heck is this supposed to work???
717
718 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
719 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
720 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
721 Once **all** CPUs have executed a context switch, then **all** preceding
722 RCU read-side critical sections will have completed.
723
724 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
725 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
726 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
727 to that data item, so we can safely reclaim it.
728
729 .. _quiz_2:
730
731 Quick Quiz #2:
732                 Give an example where Classic RCU's read-side
733                 overhead is **negative**.
734
735 :ref:`Answers to Quick Quiz <8_whatisRCU>`
736
737 .. _quiz_3:
738
739 Quick Quiz #3:
740                 If it is illegal to block in an RCU read-side
741                 critical section, what the heck do you do in
742                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
743
744 :ref:`Answers to Quick Quiz <8_whatisRCU>`
745
746 .. _6_whatisRCU:
747
748 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
749 --------------------------------------
750
751 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
752 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
753 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
754 ::
755
756         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
757                 int data;
758                 /* Other data fields */
759          };
760         -rwlock_t listmutex;
761         +spinlock_t listmutex;
762          struct el head;
763
764         @@ -13,15 +14,15 @@
765                 struct list_head *lp;
766                 struct el *p;
767
768         -       read_lock(&listmutex);
769         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
770         +       rcu_read_lock();
771         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
772                         if (p->key == key) {
773                                 *result = p->data;
774         -                       read_unlock(&listmutex);
775         +                       rcu_read_unlock();
776                                 return 1;
777                         }
778                 }
779         -       read_unlock(&listmutex);
780         +       rcu_read_unlock();
781                 return 0;
782          }
783
784         @@ -29,15 +30,16 @@
785          {
786                 struct el *p;
787
788         -       write_lock(&listmutex);
789         +       spin_lock(&listmutex);
790                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
791                         if (p->key == key) {
792         -                       list_del(&p->list);
793         -                       write_unlock(&listmutex);
794         +                       list_del_rcu(&p->list);
795         +                       spin_unlock(&listmutex);
796         +                       synchronize_rcu();
797                                 kfree(p);
798                                 return 1;
799                         }
800                 }
801         -       write_unlock(&listmutex);
802         +       spin_unlock(&listmutex);
803                 return 0;
804          }
805
806 Or, for those who prefer a side-by-side listing::
807
808  1 struct el {                          1 struct el {
809  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
810  3   long key;                          3   long key;
811  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
812  5   int data;                          5   int data;
813  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
814  7 };                                   7 };
815  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
816  9 struct el head;                      9 struct el head;
817
818 ::
819
820   1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
821   2 {                                    2 {
822   3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
823   4   struct el *p;                      4   struct el *p;
824   5                                      5
825   6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
826   7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
827   8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
828   9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
829  10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
830  11       return 1;                     11       return 1;
831  12     }                               12     }
832  13   }                                 13   }
833  14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
834  15   return 0;                         15   return 0;
835  16 }                                   16 }
836
837 ::
838
839   1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
840   2 {                                    2 {
841   3   struct el *p;                      3   struct el *p;
842   4                                      4
843   5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
844   6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
845   7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
846   8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
847   9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
848                                         10       synchronize_rcu();
849  10       kfree(p);                     11       kfree(p);
850  11       return 1;                     12       return 1;
851  12     }                               13     }
852  13   }                                 14   }
853  14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
854  15   return 0;                         16   return 0;
855  16 }                                   17 }
856
857 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
858 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
859 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
860 precedes the kfree().
861
862 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
863 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
864 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
865 For example, if multiple independent list updates must be seen as
866 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
867
868 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
869 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
870 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
871 be used in place of synchronize_rcu().
872
873 .. _7_whatisRCU:
874
875 7.  FULL LIST OF RCU APIs
876 -------------------------
877
878 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
879 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
880 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
881 in docbook.  Here is the list, by category.
882
883 RCU list traversal::
884
885         list_entry_rcu
886         list_entry_lockless
887         list_first_entry_rcu
888         list_next_rcu
889         list_for_each_entry_rcu
890         list_for_each_entry_continue_rcu
891         list_for_each_entry_from_rcu
892         list_first_or_null_rcu
893         list_next_or_null_rcu
894         hlist_first_rcu
895         hlist_next_rcu
896         hlist_pprev_rcu
897         hlist_for_each_entry_rcu
898         hlist_for_each_entry_rcu_bh
899         hlist_for_each_entry_from_rcu
900         hlist_for_each_entry_continue_rcu
901         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
902         hlist_nulls_first_rcu
903         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
904         hlist_bl_first_rcu
905         hlist_bl_for_each_entry_rcu
906
907 RCU pointer/list update::
908
909         rcu_assign_pointer
910         list_add_rcu
911         list_add_tail_rcu
912         list_del_rcu
913         list_replace_rcu
914         hlist_add_behind_rcu
915         hlist_add_before_rcu
916         hlist_add_head_rcu
917         hlist_add_tail_rcu
918         hlist_del_rcu
919         hlist_del_init_rcu
920         hlist_replace_rcu
921         list_splice_init_rcu
922         list_splice_tail_init_rcu
923         hlist_nulls_del_init_rcu
924         hlist_nulls_del_rcu
925         hlist_nulls_add_head_rcu
926         hlist_bl_add_head_rcu
927         hlist_bl_del_init_rcu
928         hlist_bl_del_rcu
929         hlist_bl_set_first_rcu
930
931 RCU::
932
933         Critical sections       Grace period            Barrier
934
935         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
936         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
937         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
938         rcu_read_lock_held      call_rcu
939         rcu_dereference_check   kfree_rcu
940         rcu_dereference_protected
941
942 bh::
943
944         Critical sections       Grace period            Barrier
945
946         rcu_read_lock_bh        call_rcu                rcu_barrier
947         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu
948         [local_bh_disable]      synchronize_rcu_expedited
949         [and friends]
950         rcu_dereference_bh
951         rcu_dereference_bh_check
952         rcu_dereference_bh_protected
953         rcu_read_lock_bh_held
954
955 sched::
956
957         Critical sections       Grace period            Barrier
958
959         rcu_read_lock_sched     call_rcu                rcu_barrier
960         rcu_read_unlock_sched   synchronize_rcu
961         [preempt_disable]       synchronize_rcu_expedited
962         [and friends]
963         rcu_read_lock_sched_notrace
964         rcu_read_unlock_sched_notrace
965         rcu_dereference_sched
966         rcu_dereference_sched_check
967         rcu_dereference_sched_protected
968         rcu_read_lock_sched_held
969
970
971 SRCU::
972
973         Critical sections       Grace period            Barrier
974
975         srcu_read_lock          call_srcu               srcu_barrier
976         srcu_read_unlock        synchronize_srcu
977         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
978         srcu_dereference_check
979         srcu_read_lock_held
980
981 SRCU: Initialization/cleanup::
982
983         DEFINE_SRCU
984         DEFINE_STATIC_SRCU
985         init_srcu_struct
986         cleanup_srcu_struct
987
988 All: lockdep-checked RCU-protected pointer access::
989
990         rcu_access_pointer
991         rcu_dereference_raw
992         RCU_LOCKDEP_WARN
993         rcu_sleep_check
994         RCU_NONIDLE
995
996 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
997 from them) for more information.
998
999 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
1000 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
1001 list can be helpful:
1002
1003 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
1004
1005 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
1006         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
1007         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
1008         necessary.  (The -rt patchset turns spinlocks into sleeplocks,
1009         hence this distinction.)
1010
1011 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
1012         and code segments with preemption disabled (whether
1013         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
1014         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
1015         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
1016
1017 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
1018         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
1019         example, is your code subject to network-based denial-of-service
1020         attacks?  If so, you should disable softirq across your readers,
1021         for example, by using rcu_read_lock_bh().
1022
1023 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
1024         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
1025         If so, consider SLAB_TYPESAFE_BY_RCU (which was originally
1026         named SLAB_DESTROY_BY_RCU).  But please be careful!
1027
1028 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
1029         even though they are in the middle of the idle loop, during
1030         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
1031         only choice that will work for you.
1032
1033 g.      Otherwise, use RCU.
1034
1035 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
1036 the right tool for your job.
1037
1038 .. _8_whatisRCU:
1039
1040 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
1041 ----------------------------
1042
1043 Quick Quiz #1:
1044                 Why is this argument naive?  How could a deadlock
1045                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
1046                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
1047                 algorithm.]
1048
1049 Answer:
1050                 Consider the following sequence of events:
1051
1052                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
1053                         "problematic_lock", disabling irq via
1054                         spin_lock_irqsave().
1055
1056                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
1057                         rcu_gp_mutex.
1058
1059                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
1060                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
1061
1062                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
1063                         attempts to acquire problematic_lock.
1064
1065                 The system is now deadlocked.
1066
1067                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
1068                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
1069                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
1070                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
1071                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
1072                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
1073
1074                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
1075                 allows latency to "bleed" from readers to other
1076                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
1077                 consider task A in an RCU read-side critical section
1078                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
1079                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
1080                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
1081                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
1082                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
1083                 task B.
1084
1085                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
1086                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
1087                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
1088
1089 :ref:`Back to Quick Quiz #1 <quiz_1>`
1090
1091 Quick Quiz #2:
1092                 Give an example where Classic RCU's read-side
1093                 overhead is **negative**.
1094
1095 Answer:
1096                 Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
1097                 kernel where a routing table is used by process-context
1098                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
1099                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
1100                 this would be to have the process-context code disable
1101                 interrupts while searching the routing table.  Use of
1102                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
1103                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
1104                 and with RCU you don't.
1105
1106                 One can argue that the overhead of RCU in this
1107                 case is negative with respect to the single-CPU
1108                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1109                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1110                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1111                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1112                 negative overhead.
1113
1114                 In real life, of course, things are more complex.  But
1115                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1116                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1117
1118 :ref:`Back to Quick Quiz #2 <quiz_2>`
1119
1120 Quick Quiz #3:
1121                 If it is illegal to block in an RCU read-side
1122                 critical section, what the heck do you do in
1123                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1124
1125 Answer:
1126                 Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1127                 critical sections, it permits preemption of RCU
1128                 read-side critical sections.  It also permits
1129                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1130                 sections.
1131
1132                 Why the apparent inconsistency?  Because it is
1133                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1134                 grace periods short if need be (for example, if running
1135                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1136                 for (say) network reception, there is no way to know
1137                 what should be boosted.  Especially given that the
1138                 process we need to boost might well be a human being
1139                 who just went out for a pizza or something.  And although
1140                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1141                 interest, it might also provoke serious objections.
1142                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1143                 the human being went to???
1144
1145 :ref:`Back to Quick Quiz #3 <quiz_3>`
1146
1147 ACKNOWLEDGEMENTS
1148
1149 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1150 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1151
1152
1153 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.