详解RCU机制

RCU (读-复制-更新)

RCU（Read-Copy-Update，读-拷贝-更新）是 Linux 内核中一种高效的 并发读-写同步机制，专门用于在多核系统下实现 大量读、少量写 的场景。它的核心思想是：读操作完全无锁，写操作通过复制更新，最后再安全地回收旧版本。

RCU 的核心思想

• 读操作直接访问数据结构，不加锁
• 写操作：
  • 先 复制原数据 → 修改副本
  • 更新指针，使新数据生效
  • 延迟回收旧数据，保证当前正在读取旧数据的线程不受影响

__rcu

它是 RCU 机制中非常关键的一环，用来让 编译器和内核知道某个指针是 RCU 保护的。

1. __rcu 的定义

在 Linux 内核中（以 x86_64 为例）：

#define __rcu

实际上，它 本身对编译器不产生直接影响

主要用途是 标记类型，告诉 Sparse 静态分析工具 或 内核开发者：这个指针受 RCU 保护，不能随意直接读/写

也就是说，__rcu 是 一个注释性质的宏，编译器编译时忽略，但静态分析工具会检查 RCU 访问规则。

2. __rcu 的作用

标记 RCU 保护的指针，常见用法：

struct files_struct {
    struct fdtable __rcu *fdt;
    struct file __rcu *fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};

含义：

• fdt 是 RCU 指针
• 不能直接写 fdt = new_ptr; 或直接解引用 fdt->xxx
• 必须通过 RCU API，如：
  • rcu_assign_pointer(fdt, new_fdt); → 安全更新指针
  • rcu_dereference(fdt) → 安全读取指针
• 这样可以保证：
  • 写线程更新指针时不会破坏读线程的访问
  • 读线程可以无锁访问旧数据

3. __rcu 与编译器和内核

• 静态检查（Sparse）
  • Sparse 是 Linux 内核推荐的静态分析工具
  • 它会检查：
    • 所有 __rcu 指针的写操作是否用 rcu_assign_pointer
    • 所有读取是否用 rcu_dereference
  • 如果直接访问，就会报错，避免 RCU 访问错误
• 内存屏障和优化
  • rcu_assign_pointer 内部会加上 适当的写屏障 (smp_wmb())
  • rcu_dereference 内部会加 读取屏障 (smp_rmb())
  • 防止编译器/CPU 重排导致读写顺序错误

4. __rcu 的核心原理总结

方面	说明
编译器作用	本身是空宏，不改变代码
静态分析	Sparse 检查 RCU 指针的安全读写
内存屏障	通过 rcu_assign_pointer / rcu_dereference 添加屏障，保证并发安全
运行时	指针仍然是普通指针，实际存储和访问和普通指针一样