Merge tag 'drm-misc-next-fixes-2020-12-22' of git://anongit.freedesktop.org/drm/drm...
[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,
501                       void (*func)(struct rcu_head *head));
502
503 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
504 This invocation might happen from either softirq or process context,
505 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
506 have an rcu_head structure added, perhaps as follows::
507
508         struct foo {
509                 int a;
510                 char b;
511                 long c;
512                 struct rcu_head rcu;
513         };
514
515 The foo_update_a() function might then be written as follows::
516
517         /*
518          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
519          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
520          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
521          * frees up the old structure after a grace period.
522          *
523          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
524          * see the initialized version of the new structure.
525          *
526          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
527          * references to the old structure complete before freeing the
528          * old structure.
529          */
530         void foo_update_a(int new_a)
531         {
532                 struct foo *new_fp;
533                 struct foo *old_fp;
534
535                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
536                 spin_lock(&foo_mutex);
537                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
538                 *new_fp = *old_fp;
539                 new_fp->a = new_a;
540                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
541                 spin_unlock(&foo_mutex);
542                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
543         }
544
545 The foo_reclaim() function might appear as follows::
546
547         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
548         {
549                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
550
551                 foo_cleanup(fp->a);
552
553                 kfree(fp);
554         }
555
556 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
557 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
558 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
559
560 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
561 immediately regain control, without needing to worry further about the
562 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
563 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
564 namely foo_reclaim().
565
566 The summary of advice is the same as for the previous section, except
567 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
568
569 -       Use call_rcu() **after** removing a data element from an
570         RCU-protected data structure in order to register a callback
571         function that will be invoked after the completion of all RCU
572         read-side critical sections that might be referencing that
573         data item.
574
575 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
576 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
577 to avoid having to write your own callback::
578
579         kfree_rcu(old_fp, rcu);
580
581 Again, see checklist.txt for additional rules governing the use of RCU.
582
583 .. _5_whatisRCU:
584
585 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
586 ------------------------------------------------
587
588 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
589 implementations that are a good first step towards understanding the
590 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
591 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
592 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
593 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
594 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
595 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcu/update.c for a
596 production-quality implementation, and see:
597
598         http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU
599
600 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
601 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
602 more details on the current implementation as of early 2004.
603
604
605 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
606 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
607 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
608 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
609 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
610 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
611 one read-side critical section to another.  It also assumes recursive
612 reader-writer locks:  If you try this with non-recursive locks, and
613 you allow nested rcu_read_lock() calls, you can deadlock.
614
615 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
616 a good starting point.
617
618 It is extremely simple::
619
620         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
621
622         void rcu_read_lock(void)
623         {
624                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
625         }
626
627         void rcu_read_unlock(void)
628         {
629                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
630         }
631
632         void synchronize_rcu(void)
633         {
634                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
635                 smp_mb__after_spinlock();
636                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
637         }
638
639 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without missing
640 much.  But here are simplified versions anyway.  And whatever you do,
641 don't forget about them when submitting patches making use of RCU!]::
642
643         #define rcu_assign_pointer(p, v) \
644         ({ \
645                 smp_store_release(&(p), (v)); \
646         })
647
648         #define rcu_dereference(p) \
649         ({ \
650                 typeof(p) _________p1 = READ_ONCE(p); \
651                 (_________p1); \
652         })
653
654
655 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
656 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
657 primitive write-acquires this same lock, then releases it.  This means
658 that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side critical sections
659 that were in progress before synchronize_rcu() was called are guaranteed
660 to have completed -- there is no way that synchronize_rcu() would have
661 been able to write-acquire the lock otherwise.  The smp_mb__after_spinlock()
662 promotes synchronize_rcu() to a full memory barrier in compliance with
663 the "Memory-Barrier Guarantees" listed in:
664
665         Documentation/RCU/Design/Requirements/Requirements.rst
666
667 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
668 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
669 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
670 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
671 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
672 so there can be no deadlock cycle.
673
674 .. _quiz_1:
675
676 Quick Quiz #1:
677                 Why is this argument naive?  How could a deadlock
678                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
679                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
680
681 :ref:`Answers to Quick Quiz <8_whatisRCU>`
682
683 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
684 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
685 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
686 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
687 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPT
688 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
689 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
690 ::
691
692         void rcu_read_lock(void) { }
693
694         void rcu_read_unlock(void) { }
695
696         void synchronize_rcu(void)
697         {
698                 int cpu;
699
700                 for_each_possible_cpu(cpu)
701                         run_on(cpu);
702         }
703
704 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
705 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
706 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
707 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
708 participate in a deadlock cycle!
709
710 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
711 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
712 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
713 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
714 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
715 "toy", I meant **toy**!
716
717 So how the heck is this supposed to work???
718
719 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
720 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
721 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
722 Once **all** CPUs have executed a context switch, then **all** preceding
723 RCU read-side critical sections will have completed.
724
725 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
726 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
727 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
728 to that data item, so we can safely reclaim it.
729
730 .. _quiz_2:
731
732 Quick Quiz #2:
733                 Give an example where Classic RCU's read-side
734                 overhead is **negative**.
735
736 :ref:`Answers to Quick Quiz <8_whatisRCU>`
737
738 .. _quiz_3:
739
740 Quick Quiz #3:
741                 If it is illegal to block in an RCU read-side
742                 critical section, what the heck do you do in
743                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
744
745 :ref:`Answers to Quick Quiz <8_whatisRCU>`
746
747 .. _6_whatisRCU:
748
749 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
750 --------------------------------------
751
752 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
753 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
754 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
755 ::
756
757         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
758                 int data;
759                 /* Other data fields */
760          };
761         -rwlock_t listmutex;
762         +spinlock_t listmutex;
763          struct el head;
764
765         @@ -13,15 +14,15 @@
766                 struct list_head *lp;
767                 struct el *p;
768
769         -       read_lock(&listmutex);
770         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
771         +       rcu_read_lock();
772         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
773                         if (p->key == key) {
774                                 *result = p->data;
775         -                       read_unlock(&listmutex);
776         +                       rcu_read_unlock();
777                                 return 1;
778                         }
779                 }
780         -       read_unlock(&listmutex);
781         +       rcu_read_unlock();
782                 return 0;
783          }
784
785         @@ -29,15 +30,16 @@
786          {
787                 struct el *p;
788
789         -       write_lock(&listmutex);
790         +       spin_lock(&listmutex);
791                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
792                         if (p->key == key) {
793         -                       list_del(&p->list);
794         -                       write_unlock(&listmutex);
795         +                       list_del_rcu(&p->list);
796         +                       spin_unlock(&listmutex);
797         +                       synchronize_rcu();
798                                 kfree(p);
799                                 return 1;
800                         }
801                 }
802         -       write_unlock(&listmutex);
803         +       spin_unlock(&listmutex);
804                 return 0;
805          }
806
807 Or, for those who prefer a side-by-side listing::
808
809  1 struct el {                          1 struct el {
810  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
811  3   long key;                          3   long key;
812  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
813  5   int data;                          5   int data;
814  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
815  7 };                                   7 };
816  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
817  9 struct el head;                      9 struct el head;
818
819 ::
820
821   1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
822   2 {                                    2 {
823   3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
824   4   struct el *p;                      4   struct el *p;
825   5                                      5
826   6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
827   7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
828   8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
829   9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
830  10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
831  11       return 1;                     11       return 1;
832  12     }                               12     }
833  13   }                                 13   }
834  14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
835  15   return 0;                         15   return 0;
836  16 }                                   16 }
837
838 ::
839
840   1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
841   2 {                                    2 {
842   3   struct el *p;                      3   struct el *p;
843   4                                      4
844   5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
845   6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
846   7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
847   8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
848   9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
849                                         10       synchronize_rcu();
850  10       kfree(p);                     11       kfree(p);
851  11       return 1;                     12       return 1;
852  12     }                               13     }
853  13   }                                 14   }
854  14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
855  15   return 0;                         16   return 0;
856  16 }                                   17 }
857
858 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
859 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
860 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
861 precedes the kfree().
862
863 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
864 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
865 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
866 For example, if multiple independent list updates must be seen as
867 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
868
869 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
870 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
871 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
872 be used in place of synchronize_rcu().
873
874 .. _7_whatisRCU:
875
876 7.  FULL LIST OF RCU APIs
877 -------------------------
878
879 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
880 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
881 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
882 in docbook.  Here is the list, by category.
883
884 RCU list traversal::
885
886         list_entry_rcu
887         list_entry_lockless
888         list_first_entry_rcu
889         list_next_rcu
890         list_for_each_entry_rcu
891         list_for_each_entry_continue_rcu
892         list_for_each_entry_from_rcu
893         list_first_or_null_rcu
894         list_next_or_null_rcu
895         hlist_first_rcu
896         hlist_next_rcu
897         hlist_pprev_rcu
898         hlist_for_each_entry_rcu
899         hlist_for_each_entry_rcu_bh
900         hlist_for_each_entry_from_rcu
901         hlist_for_each_entry_continue_rcu
902         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
903         hlist_nulls_first_rcu
904         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
905         hlist_bl_first_rcu
906         hlist_bl_for_each_entry_rcu
907
908 RCU pointer/list update::
909
910         rcu_assign_pointer
911         list_add_rcu
912         list_add_tail_rcu
913         list_del_rcu
914         list_replace_rcu
915         hlist_add_behind_rcu
916         hlist_add_before_rcu
917         hlist_add_head_rcu
918         hlist_add_tail_rcu
919         hlist_del_rcu
920         hlist_del_init_rcu
921         hlist_replace_rcu
922         list_splice_init_rcu
923         list_splice_tail_init_rcu
924         hlist_nulls_del_init_rcu
925         hlist_nulls_del_rcu
926         hlist_nulls_add_head_rcu
927         hlist_bl_add_head_rcu
928         hlist_bl_del_init_rcu
929         hlist_bl_del_rcu
930         hlist_bl_set_first_rcu
931
932 RCU::
933
934         Critical sections       Grace period            Barrier
935
936         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
937         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
938         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
939         rcu_read_lock_held      call_rcu
940         rcu_dereference_check   kfree_rcu
941         rcu_dereference_protected
942
943 bh::
944
945         Critical sections       Grace period            Barrier
946
947         rcu_read_lock_bh        call_rcu                rcu_barrier
948         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu
949         [local_bh_disable]      synchronize_rcu_expedited
950         [and friends]
951         rcu_dereference_bh
952         rcu_dereference_bh_check
953         rcu_dereference_bh_protected
954         rcu_read_lock_bh_held
955
956 sched::
957
958         Critical sections       Grace period            Barrier
959
960         rcu_read_lock_sched     call_rcu                rcu_barrier
961         rcu_read_unlock_sched   synchronize_rcu
962         [preempt_disable]       synchronize_rcu_expedited
963         [and friends]
964         rcu_read_lock_sched_notrace
965         rcu_read_unlock_sched_notrace
966         rcu_dereference_sched
967         rcu_dereference_sched_check
968         rcu_dereference_sched_protected
969         rcu_read_lock_sched_held
970
971
972 SRCU::
973
974         Critical sections       Grace period            Barrier
975
976         srcu_read_lock          call_srcu               srcu_barrier
977         srcu_read_unlock        synchronize_srcu
978         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
979         srcu_dereference_check
980         srcu_read_lock_held
981
982 SRCU: Initialization/cleanup::
983
984         DEFINE_SRCU
985         DEFINE_STATIC_SRCU
986         init_srcu_struct
987         cleanup_srcu_struct
988
989 All: lockdep-checked RCU-protected pointer access::
990
991         rcu_access_pointer
992         rcu_dereference_raw
993         RCU_LOCKDEP_WARN
994         rcu_sleep_check
995         RCU_NONIDLE
996
997 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
998 from them) for more information.
999
1000 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
1001 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
1002 list can be helpful:
1003
1004 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
1005
1006 b.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block
1007         in an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block
1008         in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel, SRCU is not
1009         necessary.  (The -rt patchset turns spinlocks into sleeplocks,
1010         hence this distinction.)
1011
1012 c.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
1013         and code segments with preemption disabled (whether
1014         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
1015         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
1016         If so, RCU-sched is the only choice that will work for you.
1017
1018 d.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face
1019         of softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For
1020         example, is your code subject to network-based denial-of-service
1021         attacks?  If so, you should disable softirq across your readers,
1022         for example, by using rcu_read_lock_bh().
1023
1024 e.      Is your workload too update-intensive for normal use of
1025         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
1026         If so, consider SLAB_TYPESAFE_BY_RCU (which was originally
1027         named SLAB_DESTROY_BY_RCU).  But please be careful!
1028
1029 f.      Do you need read-side critical sections that are respected
1030         even though they are in the middle of the idle loop, during
1031         user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU is the
1032         only choice that will work for you.
1033
1034 g.      Otherwise, use RCU.
1035
1036 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
1037 the right tool for your job.
1038
1039 .. _8_whatisRCU:
1040
1041 8.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
1042 ----------------------------
1043
1044 Quick Quiz #1:
1045                 Why is this argument naive?  How could a deadlock
1046                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
1047                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
1048                 algorithm.]
1049
1050 Answer:
1051                 Consider the following sequence of events:
1052
1053                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
1054                         "problematic_lock", disabling irq via
1055                         spin_lock_irqsave().
1056
1057                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
1058                         rcu_gp_mutex.
1059
1060                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
1061                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
1062
1063                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
1064                         attempts to acquire problematic_lock.
1065
1066                 The system is now deadlocked.
1067
1068                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
1069                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
1070                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
1071                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
1072                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
1073                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
1074
1075                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
1076                 allows latency to "bleed" from readers to other
1077                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
1078                 consider task A in an RCU read-side critical section
1079                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
1080                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
1081                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
1082                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
1083                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
1084                 task B.
1085
1086                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
1087                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
1088                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
1089
1090 :ref:`Back to Quick Quiz #1 <quiz_1>`
1091
1092 Quick Quiz #2:
1093                 Give an example where Classic RCU's read-side
1094                 overhead is **negative**.
1095
1096 Answer:
1097                 Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPT
1098                 kernel where a routing table is used by process-context
1099                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
1100                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
1101                 this would be to have the process-context code disable
1102                 interrupts while searching the routing table.  Use of
1103                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
1104                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
1105                 and with RCU you don't.
1106
1107                 One can argue that the overhead of RCU in this
1108                 case is negative with respect to the single-CPU
1109                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1110                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1111                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1112                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1113                 negative overhead.
1114
1115                 In real life, of course, things are more complex.  But
1116                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1117                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1118
1119 :ref:`Back to Quick Quiz #2 <quiz_2>`
1120
1121 Quick Quiz #3:
1122                 If it is illegal to block in an RCU read-side
1123                 critical section, what the heck do you do in
1124                 PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1125
1126 Answer:
1127                 Just as PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1128                 critical sections, it permits preemption of RCU
1129                 read-side critical sections.  It also permits
1130                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1131                 sections.
1132
1133                 Why the apparent inconsistency?  Because it is
1134                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1135                 grace periods short if need be (for example, if running
1136                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1137                 for (say) network reception, there is no way to know
1138                 what should be boosted.  Especially given that the
1139                 process we need to boost might well be a human being
1140                 who just went out for a pizza or something.  And although
1141                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1142                 interest, it might also provoke serious objections.
1143                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1144                 the human being went to???
1145
1146 :ref:`Back to Quick Quiz #3 <quiz_3>`
1147
1148 ACKNOWLEDGEMENTS
1149
1150 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1151 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1152
1153
1154 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.