【原创】Linux RCU原理剖析(二)-渐入佳境

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2020-6-11

背景

  • Read the fucking source code! –By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

说明:

  1. Kernel版本:4.14
  2. ARM64处理器,Contex-A53,双核
  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 概述

我会假设你已经看过了《Linux RCU原理剖析(一)-初窥门径》

本文将进一步去探索下RCU背后的机制。

2. 基础概念

2.1 Grace Period

继续贴出《Linux RCU原理剖析(一)-初窥门径》中的图片:

  • 中间的黄色部分代表的就是Grace Period,中文叫做宽限期,从RemovalReclamation,中间就隔了一个宽限期;
  • 只有当宽限期结束后,才会触发回收的工作,宽限期的结束代表着Reader都已经退出了临界区,因此回收工作也就是安全的操作了;
  • 宽限期是否结束,与处理器的执行状态检测有关,也就是检测静止状态Quiescent Status
  • RCU的性能与可扩展性依赖于它是否能有效的检测出静止状态(Quiescent Status),并且判断宽限期是否结束。

来一张图:

2.2 Quiescent Status

Quiescent Status,用于描述处理器的执行状态。当某个CPU正在访问RCU保护的临界区时,认为是活动的状态,而当它离开了临界区后,则认为它是静止的状态。当所有的CPU都至少经历过一次QS后,宽限期将结束并触发回收工作。

  • 在时钟tick中检测CPU处于用户模式或者idle模式,则表明CPU离开了临界区;
  • 在不支持抢占的RCU实现中,检测到CPU有context切换,就能表明CPU离开了临界区;

3. 数据结构

  • RCU实际是一个大型的状态机,它的数据结构维护着状态,可以让RCU读者快速执行,同时也可以高效和灵活的处理RCU写者请求的宽限期。
  • RCU的性能和可扩展性依赖于采用什么机制来探测宽限期的结束;
  • RCU使用位图cpumask去记录CPU经历静止状态,在经典RCU(Classic RCU)实现中,由于使用了全局的cpumask位图,当CPU数量很大时锁争用会带来很大开销(GP开始时设置对应位,GP结束时清除对应位),因此也促成了Tree RCU的诞生;
  • Tree RCU以树形分层来组织CPU,将CPU分组,本小组的CPU争用同一个锁,当本小组的某个CPU经历了一个静止状态QS后,将其对应的位从位图清除,如果该小组最后一个CPU经历完静止状态QS后,表明该小组全部经历了CPU的QS状态,那么将上一层对应该组的位从位图清除;
  • RCU有几个关键的数据结构:struct rcu_statestruct rcu_nodestruct rcu_data

图来了:

  • struct rcu_state:用于描述RCU的全局状态,它负责组织树状层级结构,系统中支持不同类型的RCU状态:rcu_sched_statercu_bh_statercu_preempt_state
  • struct rcu_nodeTree RCU中的组织节点;
  • struct rcu_data:用于描述处理器的RCU状态,每个CPU都维护一个数据,它归属于某一个struct rcu_nodestruct rcu_data检测静止状态并进行处理,对应的CPU进行RCU回调,__percpu的定义也减少了同步的开销;

看到这种描述,如果还是在懵逼的状态,那么再来一张拓扑图,让真相更白一点:

  • 层状树形结构由struct rcu_node来组成,这些节点在struct rcu_state结构中是放置在数组中的,由于struct rcu_node结构有父节点指针,因此可以构造树形;
  • CPU分组后,对锁的争用就会大大减少,比如CPU0/CPU1就不需要和CPU6/CPU7去争用锁了,逐级以淘汰赛的形式向上;

关键点来了:Tree RCU使用rcu_node节点来构造层级结构,进而管理静止状态Quiescent State和宽限期Grace Period,静止状态信息QS是从每个CPU的rcu_data往上传递到根节点的,而宽限期GP信息是通过根节点从上往下传递的,当每个CPU经历过一次QS状态后,宽限期结束

关键字段还是有必要介绍一下的,否则岂不是耍流氓?

struct rcu_state {
	struct rcu_node node[NUM_RCU_NODES];        // rcu_node节点数组,组织成层级树状
	struct rcu_node *level[RCU_NUM_LVLS + 1];   //指向每层的首个rcu_node节点,数组加1是为了消除编译告警
	struct rcu_data __percpu *rda;		                //指向每个CPU的rcu_data实例
	call_rcu_func_t call;			                        //指向特定RCU类型的call_rcu函数:call_rcu_sched, call_rcu_bh等
	int ncpus;				                                // 处理器数量
    
   	unsigned long gpnum;			                //当前宽限期编号,gpnum > completed,表明正处在宽限期内
	unsigned long completed;		                //上一个结束的宽限期编号,如果与gpnum相等,表明RCU空闲 
    ...
        unsigned long gp_max;                                   //最长的宽限期时间,jiffies        
    ...
}

/*
 * Definition for node within the RCU grace-period-detection hierarchy.
 */
struct rcu_node {
    	raw_spinlock_t __private lock;	        //保护本节点的自旋锁
     	unsigned long gpnum;			        //本节点宽限期编号,等于或小于根节点的gpnum
        unsigned long completed;		        //本节点上一个结束的宽限期编号,等于或小于根节点的completed
        unsigned long qsmask;                       //QS状态位图,某位为1,代表对应的成员没有经历QS状态
        unsigned long qsmaskinit;                //正常宽限期开始时,QS状态的初始值
    ...    
	int	grplo;		//该分组的CPU最小编号
	int	grphi;		//该分组的CPU最大编号
	u8	grpnum;		//该分组在上一层分组里的编号
	u8	level;		//在树中的层级,Root为0
    ...
    
        struct rcu_node *parent; //指向父节点
}

/* Per-CPU data for read-copy update. */
struct rcu_data {
	unsigned long	completed;	    //本CPU看到的已结束的宽限期编号
	unsigned long	gpnum;		    //本CPU看到的最高宽限期编号
	union rcu_noqs cpu_no_qs;       //记录本CPU是否经历QS状态
	bool core_need_qs;		        //RCU需要本CPU上报QS状态
	unsigned long grpmask;		//本CPU在分组的位图中的掩码
	struct rcu_segcblist;		        //回调函数链表,用于存放call_rcu注册的延后执行的回调函数
    ...
}

4. RCU更新接口

《Linux RCU原理剖析(一)-初窥门径》的示例中,我们看到了RCU的写端调用了synchronize_rcu/call_rcu两种类型的接口,事实上Linux内核提供了三种不同类型的RCU,因此也对应了相应形式的接口。

来张图:

  • RCU写者,可以通过两种方式来等待宽限期的结束,一种是调用同步接口等待宽限期结束,一种是异步接口等待宽限期结束后再进行回调处理,分别如上图的左右两侧所示;
  • 从图中的接口调用来看,同步接口中实际会去调用异步接口,只是同步接口中增加了一个wait_for_completion睡眠等待操作,并且会将wakeme_after_rcu回调函数传递给异步接口,当宽限期结束后,在异步接口中回调了wakeme_after_rcu进行唤醒处理;
  • 目前内核中提供了三种RCU:
    1. 可抢占RCU:rcu_read_lock/rcu_read_unlock来界定区域,在读端临界区可以被其他进程抢占;
    2. 不可抢占RCU(RCU-sched)rcu_read_lock_sched/rcu_read_unlock_sched来界定区域,在读端临界区不允许其他进程抢占;
    3. 关下半部RCU(RCU-bh)rcu_read_lock_bh/rcu_read_unlock_bh来界定区域,在读端临界区禁止软中断;
  • 从图中可以看出来,不管是同步还是异步接口,最终都是调到__call_rcu接口,它是接口实现的关键,所以接下来分析下这个函数了;

5. __call_rcu

函数的调用流程如下:

  • __call_rcu函数,第一个功能是注册回调函数,而回调的函数的维护是在rcu_data结构中的struct rcu_segcblist cblist字段中;
  • rcu_accelerate_cbs/rcu_advance_cbs,实现中都是通过操作struct rcu_segcblist结构,来完成回调函数的移动处理等;
  • __call_rcu函数第二个功能是判断是否需要开启新的宽限期GP;

链表的维护关系如下图所示:

  • 实际的设计比较巧妙,通过一个链表来链接所有的回调函数节点,同时维护一个二级指针数组,用于将该链表进行分段,分别维护不同阶段的回调函数,回调函数的移动方向如图所示,关于回调函数节点的处理都围绕着这个图来展开;

那么通过__call_rcu注册的这些回调函数在哪里调用呢?答案是在RCU_SOFTIRQ软中断中:

  • invoke_rcu_core时,在该函数中调用raise_softirq接口,从而触发软中断回调函数rcu_process_callbacks的执行;
  • 涉及到与宽限期GP相关的操作,在rcu_process_callbacks中会调用rcu_gp_kthread_wake唤醒内核线程,最终会在rcu_gp_kthread线程中执行;
  • 涉及到RCU注册的回调函数执行的操作,都在rcu_do_batch函数中执行,其中有两种执行方式:1)如果不支持优先级继承的话,直接调用即可;2)支持优先级继承,在把回调的工作放置在rcu_cpu_kthread内核线程中,其中内核为每个CPU都创建了一个rcu_cpu_kthread内核线程;

6. 宽限期开始与结束

既然涉及到宽限期GP的操作,都放到了rcu_gp_kthread内核线程中了,那么来看看这个内核线程的逻辑操作吧:

  • 内核分别为rcu_preempt_state, rcu_bh_state, rcu_sched_state创建了内核线程rcu_gp_kthread
  • rcu_gp_kthread内核线程主要完成三个工作:1)创建新的宽限期GP;2)等待强制静止状态,设置超时,提前唤醒说明所有处理器经过了静止状态;3)宽限期结束处理。其中,前边两个操作都是通过睡眠等待在某个条件上。

7. 静止状态检测及报告

很显然,对这种状态的检测通常都是周期性的进行,放置在时钟中断处理中就是情理之中了:

  • rcu_sched/rcu_bh类型的RCU中,当检测CPU处于用户模式或处于idle线程中,说明当前CPU已经离开了临界区,经历了一个QS静止状态,对于rcu_bh的RCU,如果没有出去softirq上下文中,也表明CPU经历了QS静止状态;
  • rcu_pending满足条件的情况下,触发软中断的执行,rcu_process_callbacks将会被调用;
  • rcu_process_callbacks回调函数中,对宽限期进行判断,并对静止状态逐级上报,如果整个树状结构都经历了静止状态,那就表明了宽限期的结束,从而唤醒内核线程去处理;
  • 顺便提一句,在rcu_pending函数中,rcu_pending->__rcu_pending->check_cpu_stall->print_cpu_stall的流程中,会去判断是否有CPU stall的问题,这个在内核中有文档专门来描述,不再分析了;

8. 状态机变换

如果要观察整个状态机的变化,跟踪一下trace_rcu_grace_period接口的记录就能发现:

/*
 * Tracepoint for grace-period events.  Takes a string identifying the
 * RCU flavor, the grace-period number, and a string identifying the
 * grace-period-related event as follows:
 *
 *	"AccReadyCB": CPU acclerates new callbacks to RCU_NEXT_READY_TAIL.
 *	"AccWaitCB": CPU accelerates new callbacks to RCU_WAIT_TAIL.
 *	"newreq": Request a new grace period.
 *	"start": Start a grace period.
 *	"cpustart": CPU first notices a grace-period start.
 *	"cpuqs": CPU passes through a quiescent state.
 *	"cpuonl": CPU comes online.
 *	"cpuofl": CPU goes offline.
 *	"reqwait": GP kthread sleeps waiting for grace-period request.
 *	"reqwaitsig": GP kthread awakened by signal from reqwait state.
 *	"fqswait": GP kthread waiting until time to force quiescent states.
 *	"fqsstart": GP kthread starts forcing quiescent states.
 *	"fqsend": GP kthread done forcing quiescent states.
 *	"fqswaitsig": GP kthread awakened by signal from fqswait state.
 *	"end": End a grace period.
 *	"cpuend": CPU first notices a grace-period end.
 */

大体流程如下:

9. 总结

  • 本文提纲挈领的捋了一下RCU的大体流程,主要涉及到RCU状态机的轮转,从开启宽限期GP,到宽限期GP的初始化、静止状态QS的检测、宽限期结束、回调函数的调用等,而这部分主要涉及到软中断RCU_SOFTIRQ和内核线程rcu_gp_kthread的动态运行及交互等;
  • 内部的状态组织是通过rcu_state, rcu_node, rcu_data组织成树状结构来维护,此外回调函数是通过rcu_data中的分段链表来批处理,至于这些结构中相关字段的处理(比如gpnum, completed字段的设置来判断宽限期阶段等),以及链表的节点移动等,都没有进一步去分析跟进了;
  • RCU的实现机制很复杂,很多其他内容都还未涉及到,比如SRCU(可睡眠RCU)、可抢占RCU,中断/NMI对RCU的处理等,只能说是蜻蜓点水了;
  • 在阅读代码过程中,经常会发现一些巧妙的设计,有时会有顿悟的感觉,这也是其中的乐趣之一了;

渐入佳境篇就此打住,是否还会有登堂入室篇呢?想啥呢,歇歇吧。

参考

Verification of the Tree-Based Hierarchical Read-Copy Update in the Linux Kernel
Documentation/RCU
What is RCU, Fundamentally?
What is RCU? Part 2: Usage
RCU part 3: the RCU API
Introduction to RCU

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作者:LoyenWang