多核时代的多线程之路：RCU 揭秘
2023-10-24 04:57:12
RCU：多核并行编程的利器
并行编程的时代
随着科技的飞速发展，我们正处于一个信息爆炸的时代，网络需求不断增长。然而，CPU 频率的上限却停滞不前，仅在 4G 左右徘徊。为了满足市场需求，各大厂商不得不另辟蹊径，将单线程代码扩展到多核/多线程系统。在这类系统中，并行编程成为充分挖掘性能的最佳途径。
RCU 的原理
RCU（读时复制更新）是一种高效的并行编程技术，在 Linux 内核中广受青睐。它的原理是将数据结构划分为只读部分和可写部分。只读部分可在多个线程间共享，而可写部分只能由一个线程独占访问。当某个线程需要更新可写部分时，它会先复制数据到一个新的内存位置，再将指针指向该位置。这样，旧的内存位置仍可在其他线程使用，直到它们完成对该位置的访问。
代码示例
以下 C 语言代码展示了如何使用 RCU 更新共享数据结构：
#include <linux/rcu.h>
struct my_data {
int value;
};
static DEFINE_RCU_READ_POINTER(my_data_ptr, struct my_data);
void update_my_data(int new_value)
{
struct my_data *new_data;
new_data = kmalloc(sizeof(struct my_data), GFP_KERNEL);
if (!new_data) {
/* 内存分配失败的错误处理 */
return;
}
new_data->value = new_value;
rcu_assign_pointer(my_data_ptr, new_data);
synchronize_rcu();
kfree(new_data);
}
void read_my_data(void)
{
struct my_data *data;
rcu_read_lock();
data = rcu_dereference(my_data_ptr);
/* 读取并使用 data->value 的安全代码 */
rcu_read_unlock();
}
RCU 的实现
在 Linux 内核中，RCU 通过以下关键数据结构实现：
- RCU 头： 包含 RCU 调度器状态、RCU 读端状态等控制信息。
- RCU 读端： 每个 CPU 的数据结构，包含该 CPU 所有 RCU 状态信息。
- RCU 调度器： 内核线程，负责管理 RCU 运行。
RCU 的应用
RCU 在 Linux 内核中广泛应用，主要包括：
- 内存回收： 实现内核的安全内存回收，后台释放不再使用的内存。
- 负载均衡： 实现内核的负载均衡，将任务分配给不同 CPU，提高系统性能。
- 锁管理： 实现内核的锁管理，允许多个线程共享锁，避免死锁。
RCU 的优势
- 高效性： RCU 是一种高效的并行编程技术，可显著提升多核系统的性能。
- 安全性： RCU 非常安全，可防止多个线程同时访问共享数据结构，避免数据损坏。
- 易用性： RCU 使用简单，无需对应用程序进行复杂修改即可实现并行编程。
RCU 的不足
- 延迟： RCU 会引入一定的延迟，因为在更新数据结构的可写部分时，需要先复制数据再更新指针。
- 复杂性： RCU 实现比较复杂，对开发人员有一定的学习难度。
结语
RCU 是一种高效、安全且易用的并行编程技术。它在 Linux 内核中发挥着至关重要的作用，大大提升了多核系统的性能，并为并行编程提供了新的思路。
常见问题解答
-
什么是 RCU？
RCU 是一种读时复制更新的并行编程技术，用于在多核系统中安全地管理共享数据结构。 -
RCU 如何工作？
RCU 将数据结构分为只读部分和可写部分，允许多个线程同时访问只读部分，而可写部分仅能由一个线程独占访问。当需要更新可写部分时，会复制数据到新的内存位置再更新指针。 -
RCU 有什么优势？
RCU 高效、安全且易用，能提升多核系统的性能。 -
RCU 有什么不足？
RCU 会引入一定的延迟，而且实现比较复杂。 -
RCU 在哪些领域有应用？
RCU 在 Linux 内核中广泛应用，包括内存回收、负载均衡和锁管理等。
