问题理解

• 关于RCU 读-复制-更新，这类锁我有点不理解的是为什么已经说了RCU不同于自旋锁，使用RCU的读端没有锁、内存屏障、原子指令类的开销，那为什么还要用 rcu_read_lock() 和 rcu_read_unlock() 函数呢？
• rcu_read_lock() 和 rcu_read_unlock() 到底是在做什么？

名字误导

• rcu_read_lock() 和 rcu_read_unlock() 可能是 Linux 内核中命名最具有误导性的函数之一。
  1. 它们并不是“锁”（in the sense of a spinlock or mutex）。
  2. 它不会让任何人在等待中“自旋”（spin）。
  3. 它不会导致睡眠或上下文切换。
  4. 它不会阻止其他 CPU 上的读或写操作。
  5. 它不会执行昂贵的原子操作或内存总线同步。

rcu_read_lock() 真正的工作

• 它真正的、也是唯一的工作是：充当一个“标记”，告知 RCU 系统：“这个 CPU 现在正处于 RCU 读临界区”。
• 在绝大多数“经典”的 Linux 内核实现中 (例如 PREEMPT_RCU)，这两个函数做的事情极其简单：
  • rcu_read_lock() -> preempt_disable() (禁用内核抢占)
  • rcu_read_unlock() -> preempt_enable() (恢复内核抢占)

为什么要禁用内核抢占？

• 这解决了我们问题的核心：既然 RCU 这么快，为什么还需要做“禁用抢占”这个动作？
• 我们必须理解 RCU 更新的“契约”是什么。RCU 的写端（更新者）在删除旧数据时，必须等待一个所谓的“宽限期” (Grace Period) 结束。
• “宽限期”的定义是：等待所有 CPU 都至少发生过一次“上下文切换”或“进入空闲”。（这被称为“静止状态”，Quiescent State）。
• RCU 系统以此来保证：只要宽限期结束，那么所有在宽限期开始前 就已经 在读取旧数据的 CPU，现在 一定 已经读取完毕了。

举例

• 现在，假设没有 rcu_read_lock()：
  1. CPU 0 开始读取一个 RCU 保护的数据 p。（比如 my_data = p->value;）
  2. 刚执行完 my_data = p->value;，CPU 0 发生“内核抢占”（比如一个更高优先级的任务来了），当前任务被换下。
  3. CPU 1 (写端) 此时发起一个更新，它用 p_new 替换了 p，并要求系统在宽限期后释放 p（旧数据）。
  4. 宽限期开始…
  5. 系统检测到所有 CPU（包括 CPU 0）都发生了上下文切换（因为 CPU 0 刚刚在第 2 步被抢占了）。
  6. 宽限期结束！ RCU 系统认为：“所有 CPU 都已经‘登记’过了，现在释放 p 是安全的。”
  7. p 的内存被释放。
  8. …过了很久…
  9. CPU 0 上的那个被抢占的任务终于被调度回来了。它继续执行 rcu_read_lock 临界区里的下一行代码，比如 next_value = p->next;
  10. BOOM! 💥 p 已经被释放了。CPU 0 访问了一个“野指针”，导致系统崩溃（Use-After-Free）。

如何解决的

• rcu_read_lock() (即 preempt_disable()) 如何解决这个问题：
  • rcu_read_lock() 禁用了抢占。
  • CPU 0 在读取 p 期间，绝不可能被其他任务抢占。
  • 它必须执行完 rcu_read_unlock() (即 preempt_enable()) 之后，才可能发生上下文切换。
  • RCU 的宽限期必须等到 CPU 0 执行完 rcu_read_unlock() 并真正发生上下文切换后，才能结束。
  • 这就保证了，只要 rcu_read_lock() 临界区还没有退出，宽限期就一定不会结束，旧数据 p 就一定不会被释放。

这是否违背了“零开销”的承诺

• 完全没有！这也正是 RCU 设计的精妙之处。
• preempt_disable() 和 preempt_enable() 的开销是什么？
• 在大多数架构上，它只是修改当前 CPU 的一个本地变量（比如 preempt_count 计数器）。它不需要昂贵的原子操作，更不需要和任何其他 CPU 通信。这个开销几乎为零，比一个 spin_lock()（需要总线锁定的原子 cmpxchg）快了几个数量级。
• 所以，我们最初的理解是对的： RCU 读端确实没有“锁、内存屏障、原子指令”（在“与其他 CPU 同步”的意义上）。它所做的 rcu_read_lock()，只是一个极其廉价的“本地标记”（禁用抢占），用于和 RCU 的垃圾回收机制（宽限期）进行“沟通”。