信號量源碼

『壹』 Linux 內核 rcu(順序) 鎖實現原理與源碼解析

RCU 的全稱是 Read-Copy-Update，代表讀取-復制-更新，作為 Linux 內核提供的一種免鎖機制，它在鎖實現方案中獨樹一幟。在面對自旋鎖、互斥鎖、信號量、讀寫鎖、req 順序鎖等常規鎖結構時，RCU 提供了另一種思路，追求在無需阻塞操作的前提下實現高效並發。
RCU 通過鏈表操作實現了讀寫分離。在讀任務執行時，可以安全地讀取鏈表中的節點。然而，若寫任務在此期間修改或刪除節點，則可能導致數據不一致問題。因此，RCU 採用先讀取後復制、再更新的策略，實現無鎖狀態下的高效讀取。這與 Copy-On-Write 技術相似，先復制一份數據，對副本進行修改，完成後將修改內容覆蓋原數據，從而達到高效、無阻塞的操作。
圖中展示了鏈表操作的細節，每個節點包含數據欄位和 next 指針欄位。在讀任務讀取節點 B 時，寫任務 N 執行刪除操作，導致 next 指針指向錯誤的節點，從而引發業務異常。此時，若採用互斥鎖，則能夠保證數據一致性，但系統性能會受到一定程度的影響。讀寫鎖和 seq 鎖雖然在一定程度上改善了性能，但仍存在一定的問題，如寫者飢餓狀態或讀者阻塞。
RCU 的實現旨在避免以上問題，讓讀任務直接獲取鎖，無需像 seq 鎖那樣進行重試，也不像讀寫鎖和互斥鎖那樣完全阻塞讀操作。RCU 通過在讀任務完成後再刪除節點，實現先修改指針，保留副本，注冊回調，等待讀任務釋放副本，最後刪除副本的過程。這種機制使得讀任務無需阻塞等待寫任務，有效提高了系統性能。
內核源碼中，RCU 通過 `rcu_assign_pointer` 修改指針，`synchronize_kernel` 等待所有讀任務完成，而讀任務則通過 `rcu_read_lock`、`rcu_read_unlock` 和 `rcu_dereference` 來上鎖、解鎖和獲取引用值。這種設計在一定程度上借鑒了垃圾回收機制，通過寫者修改引用並保留副本，待所有讀任務完成後刪除副本，從而實現高效、並發的操作。在 `rcu_read_lock` 中，禁止搶占確保了所有讀任務完成後才釋放鎖，開啟搶占，這為讀任務提供了寬限期，等待所有任務完成。
總之，RCU 作為一種創新的鎖實現機制，通過鏈表操作和讀寫分離策略，為 Linux 內核提供了一種高效、無阻塞的並發控制方式。其源碼解析展示了如何通過內核函數實現讀取-復制-更新的機制，以及如何通過寬限期確保數據一致性，從而在保證性能的同時，提供了一種優雅的並發控制解決方案。