DPDK-RCU的简明使用

文章目录

    • 摘要
    • RCU的基本概念
    • DPDK RCU Library的使用
    • 其他

摘要

本文主要介绍DPDK中RCU Library的使用。

在使用这个库之前，我们先了解RCU的基本概念。

掌握RCU的基本概念后，便可轻松的使用这个库。

RCU的基本概念

参考：Linux内核同步机制之（七）：RCU基础、 What is RCU? – “Read, Copy, Update” — The Linux Kernel documentation

上面两篇文档交叉着看下，基本能明白RCU的概念。(我英语比较烂，读英文隔着点意思，我更喜欢中文文档

下面内容，来自上面链接。

每个工具，都有最佳的适应场景。RCU主要适应如下场景：(1)RCU只能保护动态分配的数据结构，并且必须是通过指针访问该数据结构。(2)受RCU保护的临界区内不能阻塞。(3)读写不对称，对writer的性能没有特别要求，但是reader性能要求极高。(4)reader端对新旧数据不敏感。

我们再来看下RCU的基本思路。

在这里插入图片描述

上图可以看到RCU中核心的两部：removal 和 reclamation。

removal：(1)读取线程一直读，没有任何锁。(2)当写线程需要修改这块内容时，它先拷贝下这块内容到新的内存，然后在新的内存中进行修改。此时读取线程，读取的任然是旧的未修改的内容。(3) 原子操作，使用新内存地址，替换旧的内存地址。此时，原来在读取旧内存的线程，继续读旧内存中的数据；后来的读取线程，将读新内存的数据。

reclamation：待读取旧内存的线程，都离开这段区域后，写线程回收释放掉旧内存。

理解RCU的基本概念后，我们再看下RCU的API，可以抽象成下面两部分：

读取线程使用的RCU API:

  • rcu_read_lock，用来标识临界区的开始
  • rcu_dereference, 用来获取RCU保护数据的指针
  • rcu_read_unlock，用来标识离开临界区

写线程使用的RCU API:

  • rcu_assign_pointer, 使用新版本的内存的指针，替换旧版本的指针。
  • synchronize_rcu, 等待读取旧版本的线程，都离开，这会造成写线程阻塞。
  • call_rcu, 异步操作，当读取旧版本的线程都离开临界区后，自动调用回调函数，回调函数中回收旧版本的资源

明白上面内容后，我们即掌握了RCU的基本概念。这里再补充几个RCU相关的术语，以便沟通。

Quiescent State: 当前CPU对应的线程，离开了这块不同线程共享的内存。(这描述的是当前这点的状态，而不是时间段)

grace period: 在将旧版本的内存指针，替换成新版本的数据之后，到允许将旧版本的内容回收，这段时间。(这要求读取旧版本数据的线程，都到达一次Quiescent State)

DPDK RCU Library的使用

参考：RCU Library、 DPDK: lib/rcu/rte_rcu_qsbr.h File Reference、 test_rcu_qsbr.c

这节提供了一个demo，这个demo模拟这样的场景：DPDK在高速的转发数据中; 然后允许通过信号动态的修改配置。(这里很使用使用RCU，对reader的性能要求极高，对writer的性能没啥要求)

首先是初始化：rte_rcu_qsbr_get_memsize()、rte_rcu_qsbr_init()。

读取线程：

  • reader线程, 注册,用来将来报告quiescent state: rte_rcu_qsbr_thread_register()
  • reader线程，进入临界区时调用：rte_rcu_qsbr_thread_online()
  • reader线程，离开临界区时调用：rte_rcu_qsbr_thread_offline()
  • reader线程，离开临界区之前，更新下自己的quiescent state: rte_rcu_qsbr_quiescent()

写线程：

  • writer线程，阻塞grace period时间，然后便可回收资源：rte_rcu_qsbr_synchronize
  • writer线程，如果不想阻塞，可以将待回收的资源放入队列中自动回收：rte_rcu_qsbr_dq_enqueue

上面这些API都是用户层面的。它的源码值得一读，以观RCU的一种实现。(我没看它的源码目前)

#include <signal.h>
#include <stdatomic.h>#include <rte_common.h>
#include <rte_eal.h>
#include <rte_errno.h>
#include <rte_log.h>
#include <rte_malloc.h>
#include <rte_memcpy.h>
#include <rte_rcu_qsbr.h>
#include <rte_thread.h>#define RTE_LOGTYPE_RCU_TEST RTE_LOGTYPE_USER1
#define CONFIG_SIZE 100struct rte_rcu_qsbr *rcu = NULL;
char *global_config = NULL;void signal_handle(int signum) {if (signum == SIGTERM) {exit(0);} else if (signum == SIGHUP) {char *new_config = rte_zmalloc(NULL, CONFIG_SIZE, 0);if (strcmp(global_config, "enable") == 0) {snprintf(new_config, CONFIG_SIZE, "%s", "disable");} else {snprintf(new_config, CONFIG_SIZE, "%s", "enable");}// 使用新的内存地址，替换旧的内存地址char *old_config = global_config;global_config = new_config;// __atomic_store(&global_config, &new_config, __ATOMIC_RELAXED);// 阻塞,知道所有reader在旧地址上的读取结束rte_rcu_qsbr_synchronize(rcu, RTE_QSBR_THRID_INVALID);// 释放旧内存rte_free(old_config);} else {RTE_LOG(DEBUG, RCU_TEST, "unsolve signal: %d\n", signum);}
}uint32_t loop(void *arg) {// can not lcore id// unsigned int lcore_id = rte_lcore_id();unsigned int lcore_id = *(int *)arg;RTE_LOG(DEBUG, RCU_TEST, "start thread %u\n", lcore_id);rte_rcu_qsbr_thread_register(rcu, lcore_id);while (1) {rte_rcu_qsbr_thread_online(rcu, lcore_id);RTE_LOG(DEBUG, RCU_TEST, "curret config: %s\n", global_config);rte_rcu_qsbr_quiescent(rcu, lcore_id);rte_rcu_qsbr_thread_offline(rcu, lcore_id);}return 0;
}int main(int argc, char *argv[]) {rte_log_set_level(RTE_LOGTYPE_RCU_TEST, RTE_LOG_DEBUG);RTE_LOG(DEBUG, RCU_TEST, "%s\n", "start dpdk_rcu_test...");if (rte_eal_init(argc, argv) < 0) {RTE_LOG(ERR, RCU_TEST, "%s\n", rte_strerror(rte_errno));exit(-1);}size_t size = rte_rcu_qsbr_get_memsize(RTE_MAX_LCORE);rcu = rte_zmalloc(NULL, size, 0);rte_rcu_qsbr_init(rcu, RTE_MAX_LCORE);global_config = rte_zmalloc(NULL, CONFIG_SIZE, 0);if (global_config == NULL) {RTE_LOG(ERR, RCU_TEST, "%s\n", "no enough space");exit(-1);}char status[] = "enable";rte_memcpy(global_config, status, sizeof(status));// 注册信号处理函数struct sigaction action;action.sa_handler = signal_handle;action.sa_flags = SA_RESTART;sigfillset(&action.sa_mask);sigaction(SIGTERM, &action, NULL);sigaction(SIGHUP, &action, NULL);// 创建多个reader线程unsigned int lcore_cnt = rte_lcore_count();rte_thread_t thread_ids[lcore_cnt];for (unsigned int i = 0; i < lcore_cnt; i++) {rte_thread_create(&thread_ids[i], NULL, loop, &i);}// 避免进程退出for (unsigned int i = 0; i < lcore_cnt; i++) {rte_thread_join(thread_ids[i], NULL);}rte_free(global_config);
}

其他

第一个问题是，上面，使用新内存指针，替换旧内存指针时，需不需要使用atomic来确保原子操作。

global_config = new_config;
// __atomic_store(&global_config, &new_config, __ATOMIC_RELAXED);

直觉是不需要的。如果需要的话，RCU API文档中一定会说明的。另外我们可以验证下上面的赋值操作是否为原子操作。我们通过gdb查看它对应的汇编代码。

32          global_config = new_config;0x000000000005b009 <+185>:   mov    -0x10(%rbp),%rax0x000000000005b00d <+189>:   mov    %rax,0x5413ffc(%rip)        # 0x546f010 <global_config>

可以看到赋值操作，不是一个原子操作，分为两步：将new_config的值加载到rax寄存器中，然后修改global_config的值。但是修改global_config的值是原子操作。(一般情况下，一条汇编对应一个机器指令，但也不一定：cpu architecture - Do assembly instructions map 1-1 to machine language? - Stack Overflow)

所以，直接赋值修改就行了。不是加加减减的操作，这里赋值用不着进行原子操作。

另外，上面示例中使用了信号。信号还是一个挺麻烦的东西，它的使用可见：Linux上信号的使用_linux 设置信号-CSDN博客

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