linux内核源码分析之内存屏障和RCU机制

Posted 2022-03-16 为了维护世界和平_

目录

一、优化内存屏障

二、RCU（Read-Copy-Update）

---

一、优化内存屏障

1，编译器优化：为提高系统性能，编译器在不影响逻辑的情况下回调整指令的执行顺序

2，CPU优化：为提高流水线性能，CPU的乱序可能会让后面的寄存器冲突的指令由于前面完成

3，内存屏障：内存屏障是一种保证内存以正确的顺序访问

• 编译器编译代码可能会重排汇编指令，有时候优化结果不符合软件开发者意图
• 新式处理器采用超标量系统结构和乱序执行技术，能够在一个周期内并行执行多条指令顺序取指令，乱序执行，顺序提交执行结果
• 多处理器系统当中，硬件工程师使用存储缓冲区，缓存一致性实现高校性能，引入处理器之间的内存访问乱序问题。

解决方法

1）GCC编译器定义的宏

#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

#define preempt_enable() \\
do  \\
	barrier(); \\
	if (unlikely(preempt_count_dec_and_test())) \\
		__preempt_schedule(); \\
 while (0)

2）处理器内存屏障

处理器内存屏障解决CPU之间的内存访问乱序问题 和 处理器访问外设的乱序问题

内存屏障类型	强制性内存屏障	SMP内存屏障
通用内存屏障	mb()	smp_mb()
写内存屏障	wmb()	smp_wmb()
读内存屏障	rmb()	smp_rmb()
数据依赖屏障	read_barrier_depends()	smp_barrier_depends()

除了数据依赖屏障之外，所有处理器内存屏障隐含编译器优化屏障

二、RCU（Read-Copy-Update）"读-拷贝-更新"重要同步机制。

Linux内核已有原子操作，读写信号量等锁机制，为啥还有RCU呢？

1、RCU机制

RCU记录所有指向共享数据的指针的使用者，当要修改共享数据时，首先创建一个副本，在副本中修改。所有读访问线程都离开读临界区后，指针指向新的修改后副本的指针，并且删除旧数据。

使用场景：

• RCU经常用于读者性能要求比较高的场景，对写者的性能没有要求
• RCU只能保护动态分配的数据结构
• 必须是通过指针访问此数据结构
• 受RCU保护的临界区内不能sleep

缺点：

• 写者同步开销大，写者之间需要互斥操作，应用比较复杂

2、链表操作

RCU能保护的不仅是一般的指针。linux内核提供标准函数，使得通过RCU机制保护双链表，这是RCU机制在linux内核内部最重要的应用。只有在遍历、修改、删除链表元素是，必须调用标准函数的RCU变体。

 rcu链表实现

//add a new entry to rcu-protected list
//插入
static inline void list_add_rcu(struct list_head *new, struct list_head *head)

	__list_add_rcu(new, head, head->next);



static inline void __list_add_rcu(struct list_head *new,
		struct list_head *prev, struct list_head *next)

	if (!__list_add_valid(new, prev, next))
		return;

	new->next = next;
	new->prev = prev;
	rcu_assign_pointer(list_next_rcu(prev), new);
	next->prev = new;


#define rcu_assign_pointer(p, v)					      \\
do 									      \\
	uintptr_t _r_a_p__v = (uintptr_t)(v);				      \\
	rcu_check_sparse(p, __rcu);					      \\
									      \\
	if (__builtin_constant_p(v) && (_r_a_p__v) == (uintptr_t)NULL)	      \\
		WRITE_ONCE((p), (typeof(p))(_r_a_p__v));		      \\
	else								      \\
		smp_store_release(&p, RCU_INITIALIZER((typeof(p))_r_a_p__v)); \\
 while (0)

#define smp_store_release(p, v)						\\
do 									\\
	compiletime_assert_atomic_type(*p);				\\
	barrier();							\\
	WRITE_ONCE(*p, v);						\\
 while (0)

3，访问列表实例： 

static void __maybe_unused update_runtime_enabled(struct rq *rq)

	struct task_group *tg;

	lockdep_assert_held(&rq->lock);

	rcu_read_lock();
	list_for_each_entry_rcu(tg, &task_groups, list) 
		struct cfs_bandwidth *cfs_b = &tg->cfs_bandwidth;
		struct cfs_rq *cfs_rq = tg->cfs_rq[cpu_of(rq)];

		raw_spin_lock(&cfs_b->lock);
		cfs_rq->runtime_enabled = cfs_b->quota != RUNTIME_INF;
		raw_spin_unlock(&cfs_b->lock);
	
	rcu_read_unlock();

（内核免费课程链接：https://ke.qq.com/course/4032547?flowToken=1042391）