TREE RCU实现之二 —— 主干函数
RCU的实现集中在以下几个步骤：
1， 调用call_rcu，将回调函数增加到列表。
2, 开始一个宽限期。
3, 每个CPU报告自己的状态，直到最后一个CPU，结束一个宽限期。
4， 宽限期结束，每个CPU处理自己的回调函数。
call_rcu的实现
static void__call_rcu(struct rcu_head *head, void (*func)(struct rcu_head *rcu), struct rcu_state *rsp, bool lazy){ unsigned long flags; struct rcu_data *rdp; WARN_ON_ONCE((unsigned long)head & 0x3); /* 检测head在内存中是否对齐! */ debug_rcu_head_queue(head); head->func = func; head->next = NULL; smp_mb(); /* Ensure RCU update seen before callback registry. */ /* * 这是一个检测宽限期开始或者结束的机会。 * 当我们看到一个结束的时候，可能还会看到一个开始。 * 反过来，看到一个开始的时候，不一定能看到一个结束， * 因为宽限期结束需要一定时间。 */ local_irq_save(flags); rdp = this_cpu_ptr(rsp->rda); /* 将要增加callback到nxtlist. */ ACCESS_ONCE(rdp->qlen)++; if (lazy) rdp->qlen_lazy++; else rcu_idle_count_callbacks_posted(); smp_mb(); /* Count before adding callback for rcu_barrier(). */ *rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] = head; rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] = &head->next; if (__is_kfree_rcu_offset((unsigned long)func)) trace_rcu_kfree_callback(rsp->name, head, (unsigned long)func, rdp->qlen_lazy, rdp->qlen); else trace_rcu_callback(rsp->name, head, rdp->qlen_lazy, rdp->qlen); /* 去处理rcu_core。 */ __call_rcu_core(rsp, rdp, head, flags); local_irq_restore(flags);}call_rcu中最主要的工作，就是将回调函数加入到CPU的nxtlist列表。这里用到了指针处理的小技巧，我们来看看。首先看看nxttail的初始化：
static void init_callback_list(struct rcu_data *rdp){ int i; rdp->nxtlist = NULL; for (i = 0; i < RCU_NEXT_SIZE; i++) rdp->nxttail[i] = &rdp->nxtlist;}我们看到nxttail的全部成员都指向了nxtlist的地址。当nxtlist为空的时候，也是这个情形。
*rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] = head;
当nxtlist为空的时候， *rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] 得到的其实就是nxtlist，将head的值赋予它。
rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] = &head->next;
之后 RCU_NEXT_TAIL指向 head的next指针。这样当再有一个节点加入的时候，*rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL]得到的其实就是前一次加入的head的next指针，它将指向新加入的值。如此，nxtlist就成为了一个链表。或者这样理解，rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL] 指向的就是nxtlist中最后一个节点的 next指针。
除了将回调函数插入，该函数其它代码多为检查代码。而最后要调用__call_rcu_core，该函数的功用主要是在回调函数太多或者等待时间过长的状态下，强制执行RCU状态更新。我们暂时不关注。
开始一个宽限期在一个宽限期结束，或者当一个CPU检测到自身有需要一个宽限期的时候会开始一个新的宽限期，开始宽限期的代码如下：
static voidrcu_start_gp(struct rcu_state *rsp, unsigned long flags) __releases(rcu_get_root(rsp)->lock){ struct rcu_data *rdp = this_cpu_ptr(rsp->rda); struct rcu_node *rnp = rcu_get_root(rsp); if (!rcu_scheduler_fully_active || !cpu_needs_another_gp(rsp, rdp)) { /* * 如果scheduler 还没有启动non-idle任务 * 或者不需要启动一个新的宽限期则退出。 * 需要再次判断cpu_needs_another_gp， * 是因为可能有多个CPU执行这个过程。 */ raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags); return; } if (rsp->fqs_active) { /* * 这个CPU需要一个宽限期，而force_quiescent_state() * 正在运行，告诉它开始一个。 */ rsp->fqs_need_gp = 1; raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags); return; } /* 开始一个新的宽限期并且初始化。 */ rsp->gpnum++; trace_rcu_grace_period(rsp->name, rsp->gpnum, "start"); WARN_ON_ONCE(rsp->fqs_state == RCU_GP_INIT); rsp->fqs_state = RCU_GP_INIT; /* 阻止 force_quiescent_state。 */ rsp->jiffies_force_qs = jiffies + RCU_JIFFIES_TILL_FORCE_QS; record_gp_stall_check_time(rsp); raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* leave irqs disabled. */ /* 排除CPU的热插拔。*/ raw_spin_lock(&rsp->onofflock); /* irqs already disabled. */ /** 从父节点开始以广度优先的方式，遍历所有的节点，设置qsmask的值，* 所有在线CPU所在bit都将被设置成1。* 通过遍历rsp->node[]数组就可以达到这个目的。* 其它CPU在自己所属的节点还没有被设置前，只有可能访问这个节点，* 因为它所作的判断是宽限期还没有开始。* 此外，我们排除了CPU热插拔。* * 直到初始化过程完成之前，这个宽限期不可能完成，因为至少当前的* CPU所属的bit将不会被设置。这个是因为我们启动了禁止中断，所以* 这个CPU不会调用到宽限期检测代码。*/rcu_for_each_node_breadth_first(rsp, rnp) { raw_spin_lock(&rnp->lock); /* irqs already disabled. */ rcu_preempt_check_blocked_tasks(rnp); rnp->qsmask = rnp->qsmaskinit; rnp->gpnum = rsp->gpnum; rnp->completed = rsp->completed; if (rnp == rdp->mynode) rcu_start_gp_per_cpu(rsp, rnp, rdp); rcu_preempt_boost_start_gp(rnp); trace_rcu_grace_period_init(rsp->name, rnp->gpnum, rnp->level, rnp->grplo, rnp->grphi, rnp->qsmask); raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* irqs remain disabled. */ } rnp = rcu_get_root(rsp); raw_spin_lock(&rnp->lock); /* irqs already disabled. */ rsp->fqs_state = RCU_SIGNAL_INIT; /* force_quiescent_state now OK. */ raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* irqs remain disabled. */ raw_spin_unlock_irqrestore(&rsp->onofflock, flags);}标记一个新的宽限期开始，rcu_state要做的就是将gp_num加1。然后再设置所有node，qsmask被设置成qsmasinit，qsmask每个bit代表一个CPU，所有在线的CPU都将被设置成1；gpnum将被设置成新值。嗯，一个新宽限期的开始只需要设置这些标记位。
CPU的宽限期检测
当一个宽限期开始后，每个CPU都需要检测自己的状态，如果已经通过静止状态，那么就向上一级node进行报告。
这个处理过程，可以分为两个步骤：
1， 检测新的处理过程开始，设置rcu_data中的gpnum和passed_quiesce，另外用qs_pending标记一个待处理的新宽限期的开始。
2， 一个静止状态结束，向上一级node报告这个过程。
这两个过程通过rcu_check_quiescent_state()来实现，需要注意的是这个函数隔一段时间调用一次，并不只调用一次。
/** 检测这个CPU是否还不知道一个新宽限期开始，如果是设置它的变量。* 否则检查它是不是第一次通过静止状态，如果是，向上报告。*/static voidrcu_check_quiescent_state(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){/* 如果有新的宽限期开始，记录它并返回。*/if (check_for_new_grace_period(rsp, rdp))return;/* * 这个CPU是否已经处理过它的宽限期?如果是返回。 */if (!rdp->qs_pending)return;/* * 是否通过了静止状态？如果没有，返回。 */if (!rdp->passed_quiesce)return;/* * 向所属的node报告。(但rcu_report_qs_rdp() 仍然会去判断它)。 */rcu_report_qs_rdp(rdp->cpu, rsp, rdp, rdp->passed_quiesce_gpnum);}
A， CPU检测新宽限期的开始
/* * 为当前CPU，更新rcu_data的状态，去标记一个新宽限期的开始 * 如果当前CPU启动了一个宽限期或者检测到一个新的宽限期开始， * 都需要调用这个函数。这个过程必须锁定父节点的lock，另外需 * 要禁止中断 */static void __note_new_gpnum(struct rcu_state *rsp, struct rcu_node *rnp, struct rcu_data *rdp){if (rdp->gpnum != rnp->gpnum) {/* * 如果当前的宽限期需要处理这个CPU的状态，设置并 * 去检测它的静止状态。否则不要去管它。 */ rdp->gpnum = rnp->gpnum;trace_rcu_grace_period(rsp->name, rdp->gpnum, "cpustart");if (rnp->qsmask & rdp->grpmask) {rdp->qs_pending = 1;rdp->passed_quiesce = 0;} else {rdp->qs_pending = 0;}zero_cpu_stall_ticks(rdp);}}static void note_new_gpnum(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){unsigned long flags;struct rcu_node *rnp;local_irq_save(flags);rnp = rdp->mynode;if (rdp->gpnum == ACCESS_ONCE(rnp->gpnum) || /* outside lock. */ !raw_spin_trylock(&rnp->lock)) { /* irqs already off, so later. */local_irq_restore(flags);return;}__note_new_gpnum(rsp, rnp, rdp);raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);}/* * 在我们的上次检测之后，其它CPU启动了一个新的宽限期？ * 如果是更新相应的rcu_data的状态。 * 必须是在rdp对应的CPU上执行。 */static intcheck_for_new_grace_period(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){unsigned long flags;int ret = 0;local_irq_save(flags);if (rdp->gpnum != rsp->gpnum) {note_new_gpnum(rsp, rdp);ret = 1;}local_irq_restore(flags);return ret;}check_for_new_grace_period 和 note_new_gpnum分别用来检测rdp的gpnum与rsp已经对应的rnp的值是否相同，来确定是否有一个新的宽限期开始。之所以需要检测两次，是因为在rsp设置以后，rnp可能并没有设置完成。
__note_new_gpnum 将设置gpnum的值。另外设置 qs_pending为1，该标记位代表该节点还没有向父节点报告自己的状态；passed_quiesce为0，表示需要一个静止状态，设置该位是因为下次调用rcu_check_quiescent_state()可能是在一个读过程还没有结束的时候。
qs_pending的状态有可能为0，这只在以下情形下出现：当前CPU在宽限期开始的时候实在离线状态，而现在变成了在线。
我们注意到在 check_for_new_grace_period检测到有新的宽限期开始后，rcu_check_quiescent_state将直接返回，因为这个宽限期可能是在该CPU的上一个静止状态之前已经开始，所以需要等待下一个静止状态。
B，CPU报告静止状态
当再一次调用到rcu_check_quiescent_state()的时候，check_for_new_grace_period()将返回FALSE，接着运行后面的函数来判断 qs_pending 和 passed_quiesce 的值来决定是否调用rcu_report_qs_rdp。需要判断qs_peding是因为当这次rcu_report_qs_rdp调用成功的时候，下次再运行rcu_check_quiescent_state()则不需要继续运行后续函数。
static voidrcu_report_qs_rdp(int cpu, struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp, long lastgp){unsigned long flags;unsigned long mask;struct rcu_node *rnp;rnp = rdp->mynode;raw_spin_lock_irqsave(&rnp->lock, flags);if (lastgp != rnp->gpnum || rnp->completed == rnp->gpnum) {/* * 如果宽限期的处理已经完成，那么返回。 */ rdp->passed_quiesce = 0;/* need qs for new gp. */raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);return;}mask = rdp->grpmask;if ((rnp->qsmask & mask) == 0) {raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);} else {rdp->qs_pending = 0;/* * 可以确定这个宽限期还没有结束，所以可以确定当前CPU上的 * 所有回调函数可以在下次宽限期结束后处理。 */rdp->nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL] = rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL];rcu_report_qs_rnp(mask, rsp, rnp, flags); /* rlses rnp->lock */}}从我看来，这个函数只会调用到最后一个else分支，而之前的连个if分支都不会调用到。因为在调用该函数前，代码已经做了必要的检测。
以此来看，这个函数的功用就是设置qs_pending的值，阻止这次宽限期没有完成之前再次调用掉该函数；设置nxttail，决定下次宽限期后可以执行的回调函数；然后向父节点报告静止状态完成。
C，向上报告
static voidrcu_report_qs_rnp(unsigned long mask, struct rcu_state *rsp, struct rcu_node *rnp, unsigned long flags)__releases(rnp->lock){struct rcu_node *rnp_c;/* 向上遍历所有层级 */for (;;) {if (!(rnp->qsmask & mask)) {/* 这个CPU的标记已经被清除，证明已经处理过了，返回 */raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);return;}rnp->qsmask &= ~mask;trace_rcu_quiescent_state_report(rsp->name, rnp->gpnum, mask, rnp->qsmask, rnp->level, rnp->grplo, rnp->grphi, !!rnp->gp_tasks);if (rnp->qsmask != 0 || rcu_preempt_blocked_readers_cgp(rnp)) {/* 这个节点中还有其它CPU没有处理完成，那么返回 */raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);return;}mask = rnp->grpmask;if (rnp->parent == NULL) {/* 到这儿，已经到了根节点 */break;}raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);rnp_c = rnp;rnp = rnp->parent;raw_spin_lock_irqsave(&rnp->lock, flags);WARN_ON_ONCE(rnp_c->qsmask);}/* * 程序运行到这儿，说明所有的CPU都通过了宽限期， * 那么调用rcu_report_qs_rsp()来结束这个宽限期。 */ rcu_report_qs_rsp(rsp, flags); /* releases rnp->lock. */}
这个过程并不复杂，清理rnp中qsmask对应该CPU的bit。然后判断该节点是否处理完成，如果是则继续向上调用，否则就退出函数。最后一个CPU调用后，可以调用到rcu_report_qs_rsp()。
static void rcu_report_qs_rsp(struct rcu_state *rsp, unsigned long flags)__releases(rcu_get_root(rsp)->lock){unsigned long gp_duration;struct rcu_node *rnp = rcu_get_root(rsp);struct rcu_data *rdp = this_cpu_ptr(rsp->rda);WARN_ON_ONCE(!rcu_gp_in_progress(rsp));/* * Ensure that all grace-period and pre-grace-period activity * is seen before the assignment to rsp->completed. */smp_mb(); /* See above block comment. */gp_duration = jiffies - rsp->gp_start;if (gp_duration > rsp->gp_max)rsp->gp_max = gp_duration;/* * 当前CPU知道宽限期已经结束，不过其它CPU都认为它还在运行。 * 由于completed还没有设置，其它CPU都不会对父node进行处理。 * 所以这时候将各个node标记为完成是安全的。 * * 不过当前CPU有等待下一次宽限期的回调函数的时候，我们会 * 先去处理下一个宽限期。 * 这儿使用RCU_WAIT_TAIL代替了RCU_DONE_TAIL，这是因为当前 * CPU还没有进一步处理完成状态，当前RCU_WAIT_TAIL状态的元 * 素其实在这次宽限期结束后，已经可以执行了。 * */if (*rdp->nxttail[RCU_WAIT_TAIL] == NULL) {raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* irqs remain disabled. *//* * 设置 rnp->completed的值，避免这个过程要等到下一次宽限期开始。 */rcu_for_each_node_breadth_first(rsp, rnp) {raw_spin_lock(&rnp->lock); /* irqs already disabled. */rnp->completed = rsp->gpnum;raw_spin_unlock(&rnp->lock); /* irqs remain disabled. */}rnp = rcu_get_root(rsp);raw_spin_lock(&rnp->lock); /* irqs already disabled. */}rsp->completed = rsp->gpnum; /* Declare the grace period complete. */trace_rcu_grace_period(rsp->name, rsp->completed, "end");rsp->fqs_state = RCU_GP_IDLE;rcu_start_gp(rsp, flags); /* releases root node's rnp->lock. */}
这个过程最主要的内容就是设置rsp->completed的值，中间多了对node的处理。因为在rcu_start_gp中也会对node进行处理，当前CPU无法判断其它CPU是否需要一个宽限期，但它自身还有等待宽限期的回调函数的时候，它确定会有一个新的宽限期马上开始，所以忽略这个过程。
这个过程也可以分为两个步骤，第一步是检查宽限期是否结束，第二步是调用已完成的回调函数。
A, CPU检测宽限期的结束
每个CPU都会定期检查当前的宽限期是否结束，如果结束将处理自身状态已经nxtlist表。rcu_process_gp_end就是用来做这个事情:
static voidrcu_process_gp_end(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){unsigned long flags;struct rcu_node *rnp;local_irq_save(flags);rnp = rdp->mynode;if (rdp->completed == ACCESS_ONCE(rnp->completed) || /* outside lock. */ !raw_spin_trylock(&rnp->lock)) { /* irqs already off, so later. */local_irq_restore(flags);return;}__rcu_process_gp_end(rsp, rnp, rdp);raw_spin_unlock_irqrestore(&rnp->lock, flags);}
当 rdp->completed与rnp->completed的值不同的时候，会调用__rcu_process_gp_end来完成具体的工作。
static void__rcu_process_gp_end(struct rcu_state *rsp, struct rcu_node *rnp, struct rcu_data *rdp){/* 之前的宽限期是否完成？ */if (rdp->completed != rnp->completed) {/* 推进回调函数，即使是NULL指针也没关系。 */rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL] = rdp->nxttail[RCU_WAIT_TAIL];rdp->nxttail[RCU_WAIT_TAIL] = rdp->nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL];rdp->nxttail[RCU_NEXT_READY_TAIL] = rdp->nxttail[RCU_NEXT_TAIL];/* 更新completed。 */rdp->completed = rnp->completed;trace_rcu_grace_period(rsp->name, rdp->gpnum, "cpuend");/* * 如果当前的CPU在外部的静止的状态（如离线状态）， * 可能已经错过了其它CPU发起的宽限期。所以需要更 * 新gpnum的值，同时要注意不要错过当前正在运行的 * 宽限期，所以它的值被设置成与rnp->completed相同， * 此时rnp->gpnum 可以已经加1，那么后续的调用 * rcu_check_quiescent_state()会去检测新的宽限期。 */ if (ULONG_CMP_LT(rdp->gpnum, rdp->completed))rdp->gpnum = rdp->completed;/* * 如果下次的宽限期不需要当前CPU报告静止状态, * 设置qs_pending为0。 */if ((rnp->qsmask & rdp->grpmask) == 0)rdp->qs_pending = 0;}}
这个过程的重点是设置nxttail的值，将根据它来进行下一步的处理。
B,回调函数的调用
static void rcu_do_batch(struct rcu_state *rsp, struct rcu_data *rdp){unsigned long flags;struct rcu_head *next, *list, **tail;int bl, count, count_lazy, i;/* 没有回调函数，那么返回。*/if (!cpu_has_callbacks_ready_to_invoke(rdp)) {trace_rcu_batch_start(rsp->name, rdp->qlen_lazy, rdp->qlen, 0);trace_rcu_batch_end(rsp->name, 0, !!ACCESS_ONCE(rdp->nxtlist), need_resched(), is_idle_task(current), rcu_is_callbacks_kthread());return;}/* * 提取回调函数的list，需要禁用中断，以防止调用call_rcu()。 */ local_irq_save(flags);WARN_ON_ONCE(cpu_is_offline(smp_processor_id()));bl = rdp->blimit;trace_rcu_batch_start(rsp->name, rdp->qlen_lazy, rdp->qlen, bl);list = rdp->nxtlist;/* * 已经将list指向了nxtlist，此时将nxtlist指向 *rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL]。 * 由于nxttail指向的是 rcu_head中的next指针的地址，所以此处得到的就是next所 * 指向的rcu_head对象。 */rdp->nxtlist = *rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL];/*将*rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL]指向NULL，也就是将list中的最后一个元素的next设置成NULL*/*rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL] = NULL;/*tail指向list最后一个元素的next指针的地址*/tail = rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL];/*此时rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL]指向的内容已经移出，所以让它重新指向nxtlist的地址*/for (i = RCU_NEXT_SIZE - 1; i >= 0; i--)if (rdp->nxttail[i] == rdp->nxttail[RCU_DONE_TAIL])rdp->nxttail[i] = &rdp->nxtlist;local_irq_restore(flags);/* 调用回调函数 */count = count_lazy = 0;while (list) {next = list->next;prefetch(next);debug_rcu_head_unqueue(list);if (__rcu_reclaim(rsp->name, list))count_lazy++;list = next;/* 当已经全部运行完毕或者CPU有更重要的事情的时候，退出循环。 */if (++count >= bl && (need_resched() || (!is_idle_task(current) && !rcu_is_callbacks_kthread())))break;}local_irq_save(flags);trace_rcu_batch_end(rsp->name, count, !!list, need_resched(), is_idle_task(current), rcu_is_callbacks_kthread());/* 更新数量。并将没有执行完的回调函数重新放进列表。 */if (list != NULL) {*tail = rdp->nxtlist;rdp->nxtlist = list;for (i = 0; i < RCU_NEXT_SIZE; i++)if (&rdp->nxtlist == rdp->nxttail[i])rdp->nxttail[i] = tail;elsebreak;}smp_mb(); /* 为了 rcu_barrier()统计运行过的回调函数 */rdp->qlen_lazy -= count_lazy;ACCESS_ONCE(rdp->qlen) -= count;rdp->n_cbs_invoked += count;/* Reinstate batch limit if we have worked down the excess. */if (rdp->blimit == LONG_MAX && rdp->qlen <= qlowmark)rdp->blimit = blimit;/* Reset ->qlen_last_fqs_check trigger if enough CBs have drained. */if (rdp->qlen == 0 && rdp->qlen_last_fqs_check != 0) {rdp->qlen_last_fqs_check = 0;rdp->n_force_qs_snap = rsp->n_force_qs;} else if (rdp->qlen < rdp->qlen_last_fqs_check - qhimark)rdp->qlen_last_fqs_check = rdp->qlen;WARN_ON_ONCE((rdp->nxtlist == NULL) != (rdp->qlen == 0));local_irq_restore(flags);/* 如果还有回调函数没有执行，通知再次调用软中断 */if (cpu_has_callbacks_ready_to_invoke(rdp))invoke_rcu_core();}rcu_do_batch主要作用是取出nxtlist中，nxttail[RCU_DONE_TAIL]之前的元素，遍历执行它们。这时候销毁过程真正的执行了。这段函数需要仔细想想nxttail的处理。
到此RCU中涉及到的主干函数介绍完了，但是还需要与进程切换等过程交互。将在下节分析它们。