srcu浅析

本文代码基于linux内核4.19.195
之前写了rcu、rcu nocb的文章，感觉还差个srcu就完整了，现在补齐一下。
SRCU（Sleepable RCU）是rcu的一个变体，顾名思义，就是在rcu的读临界区中允许睡眠，而rcu在读临界区中是不运许睡眠的。许多文章详细的介绍了srcu的使用方法和局限，我们跳过这部分，直奔其原理。

对比rcu的数据结构，srcu也有相应的数据结构。
一个srcu_struct，代表一个逻辑srcu子系统。这个结构，在srcu相关函数中需要经常被调用到，而在rcu中基本没有使用，这主要是内核需要区分多种srcu，且每个子系统可能会定义自己的srcu；而rcu只有那几种，内核代码里早就写好了，从而在api中就封装掉了，开发者无需关注。
读者通过调用srcu_read_lock和srcu_read_unlock进出srcu读临界区

/** Counts the new reader in the appropriate per-CPU element of the* srcu_struct.* Returns an index that must be passed to the matching srcu_read_unlock().*/
int __srcu_read_lock(struct srcu_struct *sp)
{int idx;idx = READ_ONCE(sp->srcu_idx) & 0x1;this_cpu_inc(sp->sda->srcu_lock_count[idx]);/* 在对应的宽限期增加锁计数。cpu变量per_cpu_ref->c[idx]加1 */smp_mb(); /* B */  /* Avoid leaking the critical section. */return idx;//需要返回index
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(__srcu_read_lock);/*** srcu_read_lock - register a new reader for an SRCU-protected structure.* @sp: srcu_struct in which to register the new reader.** Enter an SRCU read-side critical section.  Note that SRCU read-side* critical sections may be nested.  However, it is illegal to* call anything that waits on an SRCU grace period for the same* srcu_struct, whether directly or indirectly.  Please note that* one way to indirectly wait on an SRCU grace period is to acquire* a mutex that is held elsewhere while calling synchronize_srcu() or* synchronize_srcu_expedited().** Note that srcu_read_lock() and the matching srcu_read_unlock() must* occur in the same context, for example, it is illegal to invoke* srcu_read_unlock() in an irq handler if the matching srcu_read_lock()* was invoked in process context.*///读者进入临界区
static inline int srcu_read_lock(struct srcu_struct *sp) __acquires(sp)
{int retval;retval = __srcu_read_lock(sp);rcu_lock_acquire(&(sp)->dep_map);return retval;
}/*** srcu_read_unlock - unregister a old reader from an SRCU-protected structure.* @sp: srcu_struct in which to unregister the old reader.* @idx: return value from corresponding srcu_read_lock().** Exit an SRCU read-side critical section.*/
static inline void srcu_read_unlock(struct srcu_struct *sp, int idx)__releases(sp)
{rcu_lock_release(&(sp)->dep_map);__srcu_read_unlock(sp, idx);
}/** Removes the count for the old reader from the appropriate per-CPU* element of the srcu_struct.  Note that this may well be a different* CPU than that which was incremented by the corresponding srcu_read_lock().*///read unlock并没有修改srcu_idx，也就是说，一次宽限期内可以进入无数次读临界区，直到process_srcu修改srcu_idx
void __srcu_read_unlock(struct srcu_struct *sp, int idx)
{smp_mb(); /* C */  /* Avoid leaking the critical section. */this_cpu_inc(sp->sda->srcu_unlock_count[idx]);/* cpu变量per_cpu_ref->c[idx]减1 */
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(__srcu_read_unlock);

可以看到，srcu_read_lock函数是有返回值的，且该返回值需要传递给srcu_read_unlock函数，这是srcu的特别之处，内核需要知道当前代码是准备进入哪个srcu的临界区。
进入临界区的原理很简单，获取当前的srcu的idx，对相关percpu的atomic变量进行原子加一操作；而离开临界区的原理也类似，根据srcu_read_lock的返回值，对相关percpu的另一atomic变量进行原子加一操作。这样只要将这两组percpu的atomic变量相加，只要和一样，就说明没有人在临界区里面了。
真的是这样吗？
首先为什么是percpu变量的和？
这是因为一个进程可能在cpu A上进的临界区，然后在cpu B上离开的临界区，这就导致记录进出临界区的变量在单个cpu上不一定是相等的。
那么，内核是如何检测当前这两组percpu的atomic变量的和是否相等呢？具体来说，每个核上可能会有进程在不断的进出srcu临界区，如何保证这个检测动作的原子性呢？要知道，多个数（cpu数量那么多）的求和，除非加锁，才能做好同步，但是很明显，srcu_read_lock函数和srcu_read_unlock函数都没有加锁动作，这是怎么回事？
回答这个问题，要看srcu是怎么处理一个宽限期的。
rcu的宽限期统计使用软中断实现，srcu使用工作队列实现宽限期统计，由函数process_srcu完成，其中函数srcu_advance_state完成了执行当前宽限期的状态机的工作。
call_srcu函数中，会根据情况调用srcu_funnel_gp_start，从而唤醒process_srcu相关的work，触发process_srcu的调用

/** This is the work-queue function that handles SRCU grace periods.*/
static void process_srcu(struct work_struct *work)
{struct srcu_struct *sp;sp = container_of(work, struct srcu_struct, work.work);srcu_advance_state(sp);srcu_reschedule(sp, srcu_get_delay(sp)); //确定是否需要启动下一个宽限期
}
/** Core SRCU state machine.  Push state bits of ->srcu_gp_seq* to SRCU_STATE_SCAN2, and invoke srcu_gp_end() when scan has* completed in that state.*/
static void srcu_advance_state(struct srcu_struct *sp)
{int idx;mutex_lock(&sp->srcu_gp_mutex);/** Because readers might be delayed for an extended period after* fetching ->srcu_idx for their index, at any point in time there* might well be readers using both idx=0 and idx=1.  We therefore* need to wait for readers to clear from both index values before* invoking a callback.** The load-acquire ensures that we see the accesses performed* by the prior grace period.*/idx = rcu_seq_state(smp_load_acquire(&sp->srcu_gp_seq)); /* ^^^ */if (idx == SRCU_STATE_IDLE) { //如果宽限期处于空闲状态spin_lock_irq_rcu_node(sp);if (ULONG_CMP_GE(sp->srcu_gp_seq, sp->srcu_gp_seq_needed)) { //如果宽限期没有注册回调函数WARN_ON_ONCE(rcu_seq_state(sp->srcu_gp_seq));spin_unlock_irq_rcu_node(sp);mutex_unlock(&sp->srcu_gp_mutex);return;}idx = rcu_seq_state(READ_ONCE(sp->srcu_gp_seq));if (idx == SRCU_STATE_IDLE)srcu_gp_start(sp); //启动宽限期Nspin_unlock_irq_rcu_node(sp);if (idx != SRCU_STATE_IDLE) {mutex_unlock(&sp->srcu_gp_mutex);return; /* Someone else started the grace period. */}}if (rcu_seq_state(READ_ONCE(sp->srcu_gp_seq)) == SRCU_STATE_SCAN1) {idx = 1 ^ (sp->srcu_idx & 1);if (!try_check_zero(sp, idx, 1)) {//是否所有读者都退出了宽限期（N-1）的临界区mutex_unlock(&sp->srcu_gp_mutex);return; /* readers present, retry later. */}srcu_flip(sp); //切换当前读者数组索引		rcu_seq_set_state(&sp->srcu_gp_seq, SRCU_STATE_SCAN2); //切换状态到SRCU_STATE_SCAN2}if (rcu_seq_state(READ_ONCE(sp->srcu_gp_seq)) == SRCU_STATE_SCAN2) {/** SRCU read-side critical sections are normally short,* so check at least twice in quick succession after a flip.*/idx = 1 ^ (sp->srcu_idx & 1);if (!try_check_zero(sp, idx, 2)) {//是否所有读者都退出了宽限期N的临界区mutex_unlock(&sp->srcu_gp_mutex);return; /* readers present, retry later. */}srcu_gp_end(sp);  /* Releases ->srcu_gp_mutex. */ //结束宽限期N}
}

从代码中可以看到，SRCU会经历三个状态：
SRCU_STATE_IDLE->SRCU_STATE_SCAN1->SRCU_STATE_SCAN2
一开始的时候，srcu初始化完毕会处于SRCU_STATE_IDLE状态。当有第一个人调用call_srcu的时候，会触发process_srcu的运行，进而调用srcu_gp_start启动当前宽限期N，将srcu的状态修改为SRCU_STATE_SCAN1后，process_srcu退出。
当再次调用到process_srcu时（这里还没弄明白是怎么被调用的，记个TODO后续学习），发现是SRCU_STATE_SCAN1状态，则调用try_check_zero判断前一个宽限期（N-1）是否完成，判断方法就是前面说的两组percpu变量的和。特别注意，这里的index取dx = 1 ^ (sp->srcu_idx & 1);
如果判断成功，即前一个宽限期的所有进程都退出了临界区，则调用srcu_flip，切换当前读者数组索引，也就是修改srcu_idx，这就是同步的关键。为什么这么说呢，因为调用了srcu_flip之后，srcu_read_lock返回的index，就和调用srcu_flip前不一样了，也就意味着，后续的srcu_read_lock，增加的atomic变量，和原先的srcu_read_lock增加的atomic变量，不再是一个变量了，这就能保证宽限期N的同步工作。
接下来，srcu进入SRCU_STATE_SCAN2状态，只需要等待try_check_zero返回成功，即可结束宽限期N。

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