详细介绍Linux内核的rcu stall的机制，给出触发的完整堆栈

时间: 2024-04-17 21:26:57 浏览: 317

linux 内核RCU机制分析

本文章主要分为3个章节来介绍linux 内核中RCU 机制。首先分析RCU机制的原理及发布-订阅机制，原理部分介绍都配有图形方便理解其原理机制。在理解了rcu原理机制基础上文章会详细介绍linux 内核中RCU 的核心API的用法及注意事项，方便读者快速准确的使用这些API来保护并发资源。最后会给出linux 内核使用RCU的示例。该文章是一篇很好的理解使用linux RCU机制的文章。 ### Linux内核RCU机制分析 #### 一、概述 Read-Copy-Update（简称RCU）是一种在Linux内核中广泛使用的并发控制技术。它主要用于处理读取密集型场景下的数据一致性问题，通过允许读操作不受写操作的影响，从而提高了系统的并发性能。 #### 二、RCU机制 ##### 2.1 发布-订阅机制 RCU的核心思想之一是“发布-订阅”模式。在RCU机制中，“发布者”指的是那些进行数据修改的操作，而“订阅者”则是读取这些数据的操作。为了确保数据的一致性，RCU维护了一个复杂的机制来跟踪哪些数据已经被修改，并确保所有订阅者都完成了对旧数据的访问之后，才会允许发布者将新数据正式发布出去。 **发布阶段：** 1. **修改数据**：当一个进程想要修改数据时，它会先复制一份当前的数据副本，并在副本上进行修改。 2. **标记更新**：修改完成后，将这个副本标记为即将发布的更新版本。 3. **等待所有读者完成读取**：此时，系统会进入一个短暂的等待期，在此期间，任何正在读取旧数据的进程都需要完成读取。这一步骤通常通过调用`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`来实现，以确保读取操作不会被中断。 4. **正式发布**：一旦确认所有读者已经完成了读取，系统就会正式发布更新版本。 **订阅阶段：** 1. **锁定读取**：在开始读取之前，进程需要调用`rcu_read_lock()`函数来锁定读取操作。 2. **读取数据**：读取操作可以安全地进行，不会受到其他修改操作的影响。 3. **解锁读取**：完成读取后，调用`rcu_read_unlock()`来释放锁。为了更直观地理解这一过程，下面提供了一张简化的发布-订阅机制图： ``` +----------------+ +-----------------+ +---------------+ | 修改数据 | | 等待读者完成 | | 正式发布 | | (创建副本) | -> | (rcu_read_lock) | -> | | +----------------+ +-----------------+ +---------------+ | | | | v v +-----------------+ <- +--------------+ | 读取数据 | | 完成读取 | | (rcu_read_lock) | | (rcu_read_unlock)| +-----------------+ <- +--------------+ ``` ##### 2.2 等待已存在的RCU读者完成在RCU机制中，为了确保数据的一致性，必须等到所有正在进行读取操作的进程完成读取后，才能进行数据的正式发布。这个过程通常被称为“quiescent state”（静默状态），即系统进入一个短暂的静默期，等待所有读者完成读取。当一个进程调用了`rcu_read_lock()`后，它就成为了一个RCU读者。只有当所有这样的读者都调用了`rcu_read_unlock()`，系统才能确认所有读者都完成了读取。在这个过程中，如果新的读者出现并调用了`rcu_read_lock()`，那么它们也将被计入等待列表中。这个过程可以通过以下伪代码表示： ```c // 进入RCU读取模式 rcu_read_lock(); // 执行读取操作 do_something(); // 退出RCU读取模式 rcu_read_unlock(); ``` 在上述代码中，`do_something()`可以执行任何读取操作而不必担心数据被其他进程修改。 ##### 2.3 维护最近更新对象的多个版本 RCU的一个关键特性是它能够同时维护多个版本的数据，这样就可以在不影响现有读者的情况下进行数据更新。每当数据需要更新时，RCU会创建一个新的副本，并在副本上进行修改。原始数据仍然可供当前的所有读者使用，直到所有的读者都完成了读取。例如，假设有一个链表需要更新，可以按照以下步骤操作： 1. **复制链表**：创建一个包含新元素的链表副本。 2. **修改副本**：在副本上进行必要的更改。 3. **等待读者完成读取**：使用RCU机制确保所有当前的读取操作都已经完成。 4. **替换旧链表**：将副本设置为新的链表，使得所有后续的读取操作都能看到更新后的数据。这种方法确保了即使在数据更新期间，读取操作也能顺利进行。 #### 三、RCU的API ##### 3.1 核心API RCU提供了多个API来帮助开发者有效地使用RCU机制。以下是一些常用的核心API及其功能： 1. **rcu_read_lock()**：进入RCU读取模式。 2. **rcu_read_unlock()**：退出RCU读取模式。 3. **synchronize_rcu()**：等待所有当前的RCU读取操作完成。 4. **rcu_assign_pointer()**：在RCU上下文中安全地赋值指针。 5. **rcu_dereference()**：在RCU上下文中安全地取消引用指针。 **rcu_read_lock()** 和 **rcu_read_unlock()** 用于在读取数据前和后标记读取操作，从而允许RCU机制知道何时有活跃的读取者。 **synchronize_rcu()** 是一个阻塞函数，它会等待所有已经调用过`rcu_read_lock()`但尚未调用`rcu_read_unlock()`的进程完成读取。这是更新数据前的重要步骤。 **rcu_assign_pointer()** 和 **rcu_dereference()** 提供了在RCU环境中安全地操作指针的方法。这些函数确保了在更新指针的过程中不会导致数据不一致的问题。 ##### 3.2 RCU原语之间的关系 RCU中的各个API之间存在着紧密的关系，它们共同协作以确保数据的一致性和读取操作的安全性。例如，`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`通常成对出现，用于标记读取操作的开始和结束；而`synchronize_rcu()`则是在数据更新前调用，以确保所有读取操作都已经完成。 #### 四、RCU使用示例 ##### 4.1 使用RCU保护读多指针考虑一个场景，其中多个进程需要读取一个共享指针数组中的元素。为了确保数据的一致性，可以使用RCU来保护这些读取操作。 ```c #include <linux/rcupdate.h> struct data { int *array; }; struct data *data_ptr; void update_data() { struct data *new_data = kmalloc(sizeof(struct data), GFP_KERNEL); if (!new_data) { return; } // 更新数据... new_data->array[0] = 42; // 发布新数据 rcu_assign_pointer(data_ptr, new_data); // 确保所有读取操作已完成 synchronize_rcu(); kfree(new_data); } int read_data() { int value; rcu_read_lock(); value = data_ptr->array[0]; rcu_read_unlock(); return value; } ``` 在上面的例子中，`update_data()`函数用于更新数据结构。在更新数据之前，使用`rcu_assign_pointer()`安全地将新数据赋值给`data_ptr`。之后，通过调用`synchronize_rcu()`来确保所有读取操作已经完成。 `read_data()`函数用于读取数据，其中包含了`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`，以确保读取操作的安全性。 ##### 4.2 使用RCU保护读多链表对于需要保护的链表，可以使用类似的策略来确保数据的一致性。这里以一个简单的链表为例： ```c struct list_node { int value; struct list_node *next; }; struct list_head { struct list_node *head; }; struct list_head *list_ptr; void update_list() { struct list_node *new_node; struct list_head *new_head; new_head = kmalloc(sizeof(struct list_head), GFP_KERNEL); if (!new_head) { return; } // 创建新节点 new_node = kmalloc(sizeof(struct list_node), GFP_KERNEL); if (!new_node) { kfree(new_head); return; } // 更新数据... new_node->value = 42; new_node->next = NULL; new_head->head = new_node; // 发布新链表 rcu_assign_pointer(list_ptr, new_head); // 确保所有读取操作已完成 synchronize_rcu(); kfree(new_head); kfree(new_node); } void read_list() { struct list_node *node; rcu_read_lock(); for (node = list_ptr->head; node != NULL; node = node->next) { printk(KERN_INFO "Node value: %d\n", node->value); } rcu_read_unlock(); } ``` 在`update_list()`中，首先创建了一个新的链表，并将其赋值给`list_ptr`。随后，通过调用`synchronize_rcu()`来确保所有正在进行的读取操作都已完成。 `read_list()`函数负责遍历链表，并打印出每个节点的值。在这个过程中，`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`被用来保护读取操作。 #### 五、使用注意事项虽然RCU提供了一种非常强大的并发控制方法，但在实际使用中还需要注意以下几个方面： 1. **避免长时间持有锁**：虽然RCU在设计上允许长时间持有读锁，但过长的读取时间仍然可能导致系统性能下降。因此，在编写读取代码时应尽量减少其执行时间。 2. **正确使用API**：使用不当可能会导致数据不一致或死锁等问题。例如，错误地调用`rcu_read_lock()`和`rcu_read_unlock()`可能会导致读取操作没有被正确地标记。 3. **合理规划数据结构**：在设计数据结构时应考虑到RCU的需求。例如，对于复杂的数据结构，可能需要额外的设计来支持RCU。 4. **避免不必要的更新**：频繁的更新会导致RCU性能下降，因为每次更新都需要等待所有读取操作完成。因此，应该尽量减少不必要的数据更新。 RCU机制为Linux内核中的并发控制提供了一种高效且灵活的解决方案。通过对RCU的基本原理、API以及示例的深入理解，开发者可以更好地利用这一机制来提高系统的并发性能和稳定性。

Linux内核中的RCU stall是指在RCU（Read-Copy-Update）机制中，由于某些原因导致读操作被长时间阻塞的情况。当RCU stall发生时，CPU无法进入RCU的快速路径，影响了系统的性能和响应时间。触发RCU stall的完整堆栈如下： ``` rcu_bh_kthread kthread ret_from_fork (idle) schedule rcu_gp_kthread kthread ret_from_fork (idle) schedule rcu_sched_clock_irq rcu_check_callbacks __rcu_process_callbacks rcu_process_gp_end rcu_do_batch __rcu_pending rcu_pending rcu_sched_qs rcu_stall_common rcu_stall_kick_cpu native_safe_halt cpu_idle ``` 下面是对触发RCU stall的完整堆栈的详细解释： 1. `rcu_bh_kthread`：这是一个内核线程，用于处理RCU的底半部（bottom half）。它负责处理一些需要被延迟执行的任务，如内存回收等。 2. `kthread`：这是内核中的线程管理机制，用于创建和管理内核线程。 3. `ret_from_fork`：这是从内核线程返回用户空间的过程。 4. `(idle)`：这表示系统处于空闲状态，没有正在执行的任务。 5. `schedule`：这是内核中的调度器函数，用于选择下一个要运行的任务。 6. `rcu_gp_kthread`：这是一个内核线程，用于处理RCU的Grace Period（GP）。GP是一个时间间隔，在这个时间间隔内，所有已经开始进行读操作的线程都可以继续执行，而不会被阻塞。 7. `kthread`、`ret_from_fork`、`(idle)`和`schedule`：同上述解释。 8. `rcu_sched_clock_irq`：这是一个中断处理函数，用于处理定时器中断，并触发RCU的回调函数。 9. `rcu_check_callbacks`：这是一个RCU检查回调函数的函数，用于确定是否有需要执行的RCU回调函数。 10. `__rcu_process_callbacks`：这是处理RCU回调函数的函数。 11. `rcu_process_gp_end`：这是RCU GP结束的处理函数，用于标记GP结束，并进行一些清理工作。 12. `rcu_do_batch`：这是执行RCU回调函数的函数。 13. `__rcu_pending`：这是检查是否有待处理的RCU回调函数的函数。 14. `rcu_pending`：这是等待RCU回调函数处理完成的函数。 15. `rcu_sched_qs`：这是一个RCU调度器函数，用于处理短期的RCU stall情况。 16. `rcu_stall_common`：这是一个通用的RCU stall处理函数，用于处理长期的RCU stall情况。 17. `rcu_stall_kick_cpu`：这是一个处理RCU stall的函数，当检测到长时间的阻塞时，会尝试唤醒被阻塞的CPU。 18. `native_safe_halt`：这是一个使CPU进入低功耗状态的函数。 19. `cpu_idle`：这是一个空闲CPU进入睡眠状态的函数。以上堆栈描述了触发RCU stall的情况下，内核中涉及的关键函数和线程。当RCU stall发生时，会通过RCU的回调函数处理机制、RCU GP的处理和RCU stall的检测机制来尝试解决或减轻RCU stall的影响。

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