Merge branch 'core-rcu-for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git...
[linux-2.6-block.git] / Documentation / RCU / Design / Data-Structures / Data-Structures.rst
1 ===================================================
2 A Tour Through TREE_RCU's Data Structures [LWN.net]
3 ===================================================
4
5 December 18, 2016
6
7 This article was contributed by Paul E. McKenney
8
9 Introduction
10 ============
11
12 This document describes RCU's major data structures and their relationship
13 to each other.
14
15 Data-Structure Relationships
16 ============================
17
18 RCU is for all intents and purposes a large state machine, and its
19 data structures maintain the state in such a way as to allow RCU readers
20 to execute extremely quickly, while also processing the RCU grace periods
21 requested by updaters in an efficient and extremely scalable fashion.
22 The efficiency and scalability of RCU updaters is provided primarily
23 by a combining tree, as shown below:
24
25 .. kernel-figure:: BigTreeClassicRCU.svg
26
27 This diagram shows an enclosing ``rcu_state`` structure containing a tree
28 of ``rcu_node`` structures. Each leaf node of the ``rcu_node`` tree has up
29 to 16 ``rcu_data`` structures associated with it, so that there are
30 ``NR_CPUS`` number of ``rcu_data`` structures, one for each possible CPU.
31 This structure is adjusted at boot time, if needed, to handle the common
32 case where ``nr_cpu_ids`` is much less than ``NR_CPUs``.
33 For example, a number of Linux distributions set ``NR_CPUs=4096``,
34 which results in a three-level ``rcu_node`` tree.
35 If the actual hardware has only 16 CPUs, RCU will adjust itself
36 at boot time, resulting in an ``rcu_node`` tree with only a single node.
37
38 The purpose of this combining tree is to allow per-CPU events
39 such as quiescent states, dyntick-idle transitions,
40 and CPU hotplug operations to be processed efficiently
41 and scalably.
42 Quiescent states are recorded by the per-CPU ``rcu_data`` structures,
43 and other events are recorded by the leaf-level ``rcu_node``
44 structures.
45 All of these events are combined at each level of the tree until finally
46 grace periods are completed at the tree's root ``rcu_node``
47 structure.
48 A grace period can be completed at the root once every CPU
49 (or, in the case of ``CONFIG_PREEMPT_RCU``, task)
50 has passed through a quiescent state.
51 Once a grace period has completed, record of that fact is propagated
52 back down the tree.
53
54 As can be seen from the diagram, on a 64-bit system
55 a two-level tree with 64 leaves can accommodate 1,024 CPUs, with a fanout
56 of 64 at the root and a fanout of 16 at the leaves.
57
58 +-----------------------------------------------------------------------+
59 | **Quick Quiz**:                                                       |
60 +-----------------------------------------------------------------------+
61 | Why isn't the fanout at the leaves also 64?                           |
62 +-----------------------------------------------------------------------+
63 | **Answer**:                                                           |
64 +-----------------------------------------------------------------------+
65 | Because there are more types of events that affect the leaf-level     |
66 | ``rcu_node`` structures than further up the tree. Therefore, if the   |
67 | leaf ``rcu_node`` structures have fanout of 64, the contention on     |
68 | these structures' ``->structures`` becomes excessive. Experimentation |
69 | on a wide variety of systems has shown that a fanout of 16 works well |
70 | for the leaves of the ``rcu_node`` tree.                              |
71 |                                                                       |
72 | Of course, further experience with systems having hundreds or         |
73 | thousands of CPUs may demonstrate that the fanout for the non-leaf    |
74 | ``rcu_node`` structures must also be reduced. Such reduction can be   |
75 | easily carried out when and if it proves necessary. In the meantime,  |
76 | if you are using such a system and running into contention problems   |
77 | on the non-leaf ``rcu_node`` structures, you may use the              |
78 | ``CONFIG_RCU_FANOUT`` kernel configuration parameter to reduce the    |
79 | non-leaf fanout as needed.                                            |
80 |                                                                       |
81 | Kernels built for systems with strong NUMA characteristics might      |
82 | also need to adjust ``CONFIG_RCU_FANOUT`` so that the domains of      |
83 | the ``rcu_node`` structures align with hardware boundaries.           |
84 | However, there has thus far been no need for this.                    |
85 +-----------------------------------------------------------------------+
86
87 If your system has more than 1,024 CPUs (or more than 512 CPUs on a
88 32-bit system), then RCU will automatically add more levels to the tree.
89 For example, if you are crazy enough to build a 64-bit system with
90 65,536 CPUs, RCU would configure the ``rcu_node`` tree as follows:
91
92 .. kernel-figure:: HugeTreeClassicRCU.svg
93
94 RCU currently permits up to a four-level tree, which on a 64-bit system
95 accommodates up to 4,194,304 CPUs, though only a mere 524,288 CPUs for
96 32-bit systems. On the other hand, you can set both
97 ``CONFIG_RCU_FANOUT`` and ``CONFIG_RCU_FANOUT_LEAF`` to be as small as
98 2, which would result in a 16-CPU test using a 4-level tree. This can be
99 useful for testing large-system capabilities on small test machines.
100
101 This multi-level combining tree allows us to get most of the performance
102 and scalability benefits of partitioning, even though RCU grace-period
103 detection is inherently a global operation. The trick here is that only
104 the last CPU to report a quiescent state into a given ``rcu_node``
105 structure need advance to the ``rcu_node`` structure at the next level
106 up the tree. This means that at the leaf-level ``rcu_node`` structure,
107 only one access out of sixteen will progress up the tree. For the
108 internal ``rcu_node`` structures, the situation is even more extreme:
109 Only one access out of sixty-four will progress up the tree. Because the
110 vast majority of the CPUs do not progress up the tree, the lock
111 contention remains roughly constant up the tree. No matter how many CPUs
112 there are in the system, at most 64 quiescent-state reports per grace
113 period will progress all the way to the root ``rcu_node`` structure,
114 thus ensuring that the lock contention on that root ``rcu_node``
115 structure remains acceptably low.
116
117 In effect, the combining tree acts like a big shock absorber, keeping
118 lock contention under control at all tree levels regardless of the level
119 of loading on the system.
120
121 RCU updaters wait for normal grace periods by registering RCU callbacks,
122 either directly via ``call_rcu()`` or indirectly via
123 ``synchronize_rcu()`` and friends. RCU callbacks are represented by
124 ``rcu_head`` structures, which are queued on ``rcu_data`` structures
125 while they are waiting for a grace period to elapse, as shown in the
126 following figure:
127
128 .. kernel-figure:: BigTreePreemptRCUBHdyntickCB.svg
129
130 This figure shows how ``TREE_RCU``'s and ``PREEMPT_RCU``'s major data
131 structures are related. Lesser data structures will be introduced with
132 the algorithms that make use of them.
133
134 Note that each of the data structures in the above figure has its own
135 synchronization:
136
137 #. Each ``rcu_state`` structures has a lock and a mutex, and some fields
138    are protected by the corresponding root ``rcu_node`` structure's lock.
139 #. Each ``rcu_node`` structure has a spinlock.
140 #. The fields in ``rcu_data`` are private to the corresponding CPU,
141    although a few can be read and written by other CPUs.
142
143 It is important to note that different data structures can have very
144 different ideas about the state of RCU at any given time. For but one
145 example, awareness of the start or end of a given RCU grace period
146 propagates slowly through the data structures. This slow propagation is
147 absolutely necessary for RCU to have good read-side performance. If this
148 balkanized implementation seems foreign to you, one useful trick is to
149 consider each instance of these data structures to be a different
150 person, each having the usual slightly different view of reality.
151
152 The general role of each of these data structures is as follows:
153
154 #. ``rcu_state``: This structure forms the interconnection between the
155    ``rcu_node`` and ``rcu_data`` structures, tracks grace periods,
156    serves as short-term repository for callbacks orphaned by CPU-hotplug
157    events, maintains ``rcu_barrier()`` state, tracks expedited
158    grace-period state, and maintains state used to force quiescent
159    states when grace periods extend too long,
160 #. ``rcu_node``: This structure forms the combining tree that propagates
161    quiescent-state information from the leaves to the root, and also
162    propagates grace-period information from the root to the leaves. It
163    provides local copies of the grace-period state in order to allow
164    this information to be accessed in a synchronized manner without
165    suffering the scalability limitations that would otherwise be imposed
166    by global locking. In ``CONFIG_PREEMPT_RCU`` kernels, it manages the
167    lists of tasks that have blocked while in their current RCU read-side
168    critical section. In ``CONFIG_PREEMPT_RCU`` with
169    ``CONFIG_RCU_BOOST``, it manages the per-\ ``rcu_node``
170    priority-boosting kernel threads (kthreads) and state. Finally, it
171    records CPU-hotplug state in order to determine which CPUs should be
172    ignored during a given grace period.
173 #. ``rcu_data``: This per-CPU structure is the focus of quiescent-state
174    detection and RCU callback queuing. It also tracks its relationship
175    to the corresponding leaf ``rcu_node`` structure to allow
176    more-efficient propagation of quiescent states up the ``rcu_node``
177    combining tree. Like the ``rcu_node`` structure, it provides a local
178    copy of the grace-period information to allow for-free synchronized
179    access to this information from the corresponding CPU. Finally, this
180    structure records past dyntick-idle state for the corresponding CPU
181    and also tracks statistics.
182 #. ``rcu_head``: This structure represents RCU callbacks, and is the
183    only structure allocated and managed by RCU users. The ``rcu_head``
184    structure is normally embedded within the RCU-protected data
185    structure.
186
187 If all you wanted from this article was a general notion of how RCU's
188 data structures are related, you are done. Otherwise, each of the
189 following sections give more details on the ``rcu_state``, ``rcu_node``
190 and ``rcu_data`` data structures.
191
192 The ``rcu_state`` Structure
193 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
194
195 The ``rcu_state`` structure is the base structure that represents the
196 state of RCU in the system. This structure forms the interconnection
197 between the ``rcu_node`` and ``rcu_data`` structures, tracks grace
198 periods, contains the lock used to synchronize with CPU-hotplug events,
199 and maintains state used to force quiescent states when grace periods
200 extend too long,
201
202 A few of the ``rcu_state`` structure's fields are discussed, singly and
203 in groups, in the following sections. The more specialized fields are
204 covered in the discussion of their use.
205
206 Relationship to rcu_node and rcu_data Structures
207 ''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
208
209 This portion of the ``rcu_state`` structure is declared as follows:
210
211 ::
212
213      1   struct rcu_node node[NUM_RCU_NODES];
214      2   struct rcu_node *level[NUM_RCU_LVLS + 1];
215      3   struct rcu_data __percpu *rda;
216
217 +-----------------------------------------------------------------------+
218 | **Quick Quiz**:                                                       |
219 +-----------------------------------------------------------------------+
220 | Wait a minute! You said that the ``rcu_node`` structures formed a     |
221 | tree, but they are declared as a flat array! What gives?              |
222 +-----------------------------------------------------------------------+
223 | **Answer**:                                                           |
224 +-----------------------------------------------------------------------+
225 | The tree is laid out in the array. The first node In the array is the |
226 | head, the next set of nodes in the array are children of the head     |
227 | node, and so on until the last set of nodes in the array are the      |
228 | leaves.                                                               |
229 | See the following diagrams to see how this works.                     |
230 +-----------------------------------------------------------------------+
231
232 The ``rcu_node`` tree is embedded into the ``->node[]`` array as shown
233 in the following figure:
234
235 .. kernel-figure:: TreeMapping.svg
236
237 One interesting consequence of this mapping is that a breadth-first
238 traversal of the tree is implemented as a simple linear scan of the
239 array, which is in fact what the ``rcu_for_each_node_breadth_first()``
240 macro does. This macro is used at the beginning and ends of grace
241 periods.
242
243 Each entry of the ``->level`` array references the first ``rcu_node``
244 structure on the corresponding level of the tree, for example, as shown
245 below:
246
247 .. kernel-figure:: TreeMappingLevel.svg
248
249 The zero\ :sup:`th` element of the array references the root
250 ``rcu_node`` structure, the first element references the first child of
251 the root ``rcu_node``, and finally the second element references the
252 first leaf ``rcu_node`` structure.
253
254 For whatever it is worth, if you draw the tree to be tree-shaped rather
255 than array-shaped, it is easy to draw a planar representation:
256
257 .. kernel-figure:: TreeLevel.svg
258
259 Finally, the ``->rda`` field references a per-CPU pointer to the
260 corresponding CPU's ``rcu_data`` structure.
261
262 All of these fields are constant once initialization is complete, and
263 therefore need no protection.
264
265 Grace-Period Tracking
266 '''''''''''''''''''''
267
268 This portion of the ``rcu_state`` structure is declared as follows:
269
270 ::
271
272      1   unsigned long gp_seq;
273
274 RCU grace periods are numbered, and the ``->gp_seq`` field contains the
275 current grace-period sequence number. The bottom two bits are the state
276 of the current grace period, which can be zero for not yet started or
277 one for in progress. In other words, if the bottom two bits of
278 ``->gp_seq`` are zero, then RCU is idle. Any other value in the bottom
279 two bits indicates that something is broken. This field is protected by
280 the root ``rcu_node`` structure's ``->lock`` field.
281
282 There are ``->gp_seq`` fields in the ``rcu_node`` and ``rcu_data``
283 structures as well. The fields in the ``rcu_state`` structure represent
284 the most current value, and those of the other structures are compared
285 in order to detect the beginnings and ends of grace periods in a
286 distributed fashion. The values flow from ``rcu_state`` to ``rcu_node``
287 (down the tree from the root to the leaves) to ``rcu_data``.
288
289 Miscellaneous
290 '''''''''''''
291
292 This portion of the ``rcu_state`` structure is declared as follows:
293
294 ::
295
296      1   unsigned long gp_max;
297      2   char abbr;
298      3   char *name;
299
300 The ``->gp_max`` field tracks the duration of the longest grace period
301 in jiffies. It is protected by the root ``rcu_node``'s ``->lock``.
302
303 The ``->name`` and ``->abbr`` fields distinguish between preemptible RCU
304 (“rcu_preempt” and “p”) and non-preemptible RCU (“rcu_sched” and “s”).
305 These fields are used for diagnostic and tracing purposes.
306
307 The ``rcu_node`` Structure
308 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
309
310 The ``rcu_node`` structures form the combining tree that propagates
311 quiescent-state information from the leaves to the root and also that
312 propagates grace-period information from the root down to the leaves.
313 They provides local copies of the grace-period state in order to allow
314 this information to be accessed in a synchronized manner without
315 suffering the scalability limitations that would otherwise be imposed by
316 global locking. In ``CONFIG_PREEMPT_RCU`` kernels, they manage the lists
317 of tasks that have blocked while in their current RCU read-side critical
318 section. In ``CONFIG_PREEMPT_RCU`` with ``CONFIG_RCU_BOOST``, they
319 manage the per-\ ``rcu_node`` priority-boosting kernel threads
320 (kthreads) and state. Finally, they record CPU-hotplug state in order to
321 determine which CPUs should be ignored during a given grace period.
322
323 The ``rcu_node`` structure's fields are discussed, singly and in groups,
324 in the following sections.
325
326 Connection to Combining Tree
327 ''''''''''''''''''''''''''''
328
329 This portion of the ``rcu_node`` structure is declared as follows:
330
331 ::
332
333      1   struct rcu_node *parent;
334      2   u8 level;
335      3   u8 grpnum;
336      4   unsigned long grpmask;
337      5   int grplo;
338      6   int grphi;
339
340 The ``->parent`` pointer references the ``rcu_node`` one level up in the
341 tree, and is ``NULL`` for the root ``rcu_node``. The RCU implementation
342 makes heavy use of this field to push quiescent states up the tree. The
343 ``->level`` field gives the level in the tree, with the root being at
344 level zero, its children at level one, and so on. The ``->grpnum`` field
345 gives this node's position within the children of its parent, so this
346 number can range between 0 and 31 on 32-bit systems and between 0 and 63
347 on 64-bit systems. The ``->level`` and ``->grpnum`` fields are used only
348 during initialization and for tracing. The ``->grpmask`` field is the
349 bitmask counterpart of ``->grpnum``, and therefore always has exactly
350 one bit set. This mask is used to clear the bit corresponding to this
351 ``rcu_node`` structure in its parent's bitmasks, which are described
352 later. Finally, the ``->grplo`` and ``->grphi`` fields contain the
353 lowest and highest numbered CPU served by this ``rcu_node`` structure,
354 respectively.
355
356 All of these fields are constant, and thus do not require any
357 synchronization.
358
359 Synchronization
360 '''''''''''''''
361
362 This field of the ``rcu_node`` structure is declared as follows:
363
364 ::
365
366      1   raw_spinlock_t lock;
367
368 This field is used to protect the remaining fields in this structure,
369 unless otherwise stated. That said, all of the fields in this structure
370 can be accessed without locking for tracing purposes. Yes, this can
371 result in confusing traces, but better some tracing confusion than to be
372 heisenbugged out of existence.
373
374 .. _grace-period-tracking-1:
375
376 Grace-Period Tracking
377 '''''''''''''''''''''
378
379 This portion of the ``rcu_node`` structure is declared as follows:
380
381 ::
382
383      1   unsigned long gp_seq;
384      2   unsigned long gp_seq_needed;
385
386 The ``rcu_node`` structures' ``->gp_seq`` fields are the counterparts of
387 the field of the same name in the ``rcu_state`` structure. They each may
388 lag up to one step behind their ``rcu_state`` counterpart. If the bottom
389 two bits of a given ``rcu_node`` structure's ``->gp_seq`` field is zero,
390 then this ``rcu_node`` structure believes that RCU is idle.
391
392 The ``>gp_seq`` field of each ``rcu_node`` structure is updated at the
393 beginning and the end of each grace period.
394
395 The ``->gp_seq_needed`` fields record the furthest-in-the-future grace
396 period request seen by the corresponding ``rcu_node`` structure. The
397 request is considered fulfilled when the value of the ``->gp_seq`` field
398 equals or exceeds that of the ``->gp_seq_needed`` field.
399
400 +-----------------------------------------------------------------------+
401 | **Quick Quiz**:                                                       |
402 +-----------------------------------------------------------------------+
403 | Suppose that this ``rcu_node`` structure doesn't see a request for a  |
404 | very long time. Won't wrapping of the ``->gp_seq`` field cause        |
405 | problems?                                                             |
406 +-----------------------------------------------------------------------+
407 | **Answer**:                                                           |
408 +-----------------------------------------------------------------------+
409 | No, because if the ``->gp_seq_needed`` field lags behind the          |
410 | ``->gp_seq`` field, the ``->gp_seq_needed`` field will be updated at  |
411 | the end of the grace period. Modulo-arithmetic comparisons therefore  |
412 | will always get the correct answer, even with wrapping.               |
413 +-----------------------------------------------------------------------+
414
415 Quiescent-State Tracking
416 ''''''''''''''''''''''''
417
418 These fields manage the propagation of quiescent states up the combining
419 tree.
420
421 This portion of the ``rcu_node`` structure has fields as follows:
422
423 ::
424
425      1   unsigned long qsmask;
426      2   unsigned long expmask;
427      3   unsigned long qsmaskinit;
428      4   unsigned long expmaskinit;
429
430 The ``->qsmask`` field tracks which of this ``rcu_node`` structure's
431 children still need to report quiescent states for the current normal
432 grace period. Such children will have a value of 1 in their
433 corresponding bit. Note that the leaf ``rcu_node`` structures should be
434 thought of as having ``rcu_data`` structures as their children.
435 Similarly, the ``->expmask`` field tracks which of this ``rcu_node``
436 structure's children still need to report quiescent states for the
437 current expedited grace period. An expedited grace period has the same
438 conceptual properties as a normal grace period, but the expedited
439 implementation accepts extreme CPU overhead to obtain much lower
440 grace-period latency, for example, consuming a few tens of microseconds
441 worth of CPU time to reduce grace-period duration from milliseconds to
442 tens of microseconds. The ``->qsmaskinit`` field tracks which of this
443 ``rcu_node`` structure's children cover for at least one online CPU.
444 This mask is used to initialize ``->qsmask``, and ``->expmaskinit`` is
445 used to initialize ``->expmask`` and the beginning of the normal and
446 expedited grace periods, respectively.
447
448 +-----------------------------------------------------------------------+
449 | **Quick Quiz**:                                                       |
450 +-----------------------------------------------------------------------+
451 | Why are these bitmasks protected by locking? Come on, haven't you     |
452 | heard of atomic instructions???                                       |
453 +-----------------------------------------------------------------------+
454 | **Answer**:                                                           |
455 +-----------------------------------------------------------------------+
456 | Lockless grace-period computation! Such a tantalizing possibility!    |
457 | But consider the following sequence of events:                        |
458 |                                                                       |
459 | #. CPU 0 has been in dyntick-idle mode for quite some time. When it   |
460 |    wakes up, it notices that the current RCU grace period needs it to |
461 |    report in, so it sets a flag where the scheduling clock interrupt  |
462 |    will find it.                                                      |
463 | #. Meanwhile, CPU 1 is running ``force_quiescent_state()``, and       |
464 |    notices that CPU 0 has been in dyntick idle mode, which qualifies  |
465 |    as an extended quiescent state.                                    |
466 | #. CPU 0's scheduling clock interrupt fires in the middle of an RCU   |
467 |    read-side critical section, and notices that the RCU core needs    |
468 |    something, so commences RCU softirq processing.                    |
469 | #. CPU 0's softirq handler executes and is just about ready to report |
470 |    its quiescent state up the ``rcu_node`` tree.                      |
471 | #. But CPU 1 beats it to the punch, completing the current grace      |
472 |    period and starting a new one.                                     |
473 | #. CPU 0 now reports its quiescent state for the wrong grace period.  |
474 |    That grace period might now end before the RCU read-side critical  |
475 |    section. If that happens, disaster will ensue.                     |
476 |                                                                       |
477 | So the locking is absolutely required in order to coordinate clearing |
478 | of the bits with updating of the grace-period sequence number in      |
479 | ``->gp_seq``.                                                         |
480 +-----------------------------------------------------------------------+
481
482 Blocked-Task Management
483 '''''''''''''''''''''''
484
485 ``PREEMPT_RCU`` allows tasks to be preempted in the midst of their RCU
486 read-side critical sections, and these tasks must be tracked explicitly.
487 The details of exactly why and how they are tracked will be covered in a
488 separate article on RCU read-side processing. For now, it is enough to
489 know that the ``rcu_node`` structure tracks them.
490
491 ::
492
493      1   struct list_head blkd_tasks;
494      2   struct list_head *gp_tasks;
495      3   struct list_head *exp_tasks;
496      4   bool wait_blkd_tasks;
497
498 The ``->blkd_tasks`` field is a list header for the list of blocked and
499 preempted tasks. As tasks undergo context switches within RCU read-side
500 critical sections, their ``task_struct`` structures are enqueued (via
501 the ``task_struct``'s ``->rcu_node_entry`` field) onto the head of the
502 ``->blkd_tasks`` list for the leaf ``rcu_node`` structure corresponding
503 to the CPU on which the outgoing context switch executed. As these tasks
504 later exit their RCU read-side critical sections, they remove themselves
505 from the list. This list is therefore in reverse time order, so that if
506 one of the tasks is blocking the current grace period, all subsequent
507 tasks must also be blocking that same grace period. Therefore, a single
508 pointer into this list suffices to track all tasks blocking a given
509 grace period. That pointer is stored in ``->gp_tasks`` for normal grace
510 periods and in ``->exp_tasks`` for expedited grace periods. These last
511 two fields are ``NULL`` if either there is no grace period in flight or
512 if there are no blocked tasks preventing that grace period from
513 completing. If either of these two pointers is referencing a task that
514 removes itself from the ``->blkd_tasks`` list, then that task must
515 advance the pointer to the next task on the list, or set the pointer to
516 ``NULL`` if there are no subsequent tasks on the list.
517
518 For example, suppose that tasks T1, T2, and T3 are all hard-affinitied
519 to the largest-numbered CPU in the system. Then if task T1 blocked in an
520 RCU read-side critical section, then an expedited grace period started,
521 then task T2 blocked in an RCU read-side critical section, then a normal
522 grace period started, and finally task 3 blocked in an RCU read-side
523 critical section, then the state of the last leaf ``rcu_node``
524 structure's blocked-task list would be as shown below:
525
526 .. kernel-figure:: blkd_task.svg
527
528 Task T1 is blocking both grace periods, task T2 is blocking only the
529 normal grace period, and task T3 is blocking neither grace period. Note
530 that these tasks will not remove themselves from this list immediately
531 upon resuming execution. They will instead remain on the list until they
532 execute the outermost ``rcu_read_unlock()`` that ends their RCU
533 read-side critical section.
534
535 The ``->wait_blkd_tasks`` field indicates whether or not the current
536 grace period is waiting on a blocked task.
537
538 Sizing the ``rcu_node`` Array
539 '''''''''''''''''''''''''''''
540
541 The ``rcu_node`` array is sized via a series of C-preprocessor
542 expressions as follows:
543
544 ::
545
546     1 #ifdef CONFIG_RCU_FANOUT
547     2 #define RCU_FANOUT CONFIG_RCU_FANOUT
548     3 #else
549     4 # ifdef CONFIG_64BIT
550     5 # define RCU_FANOUT 64
551     6 # else
552     7 # define RCU_FANOUT 32
553     8 # endif
554     9 #endif
555    10
556    11 #ifdef CONFIG_RCU_FANOUT_LEAF
557    12 #define RCU_FANOUT_LEAF CONFIG_RCU_FANOUT_LEAF
558    13 #else
559    14 # ifdef CONFIG_64BIT
560    15 # define RCU_FANOUT_LEAF 64
561    16 # else
562    17 # define RCU_FANOUT_LEAF 32
563    18 # endif
564    19 #endif
565    20
566    21 #define RCU_FANOUT_1        (RCU_FANOUT_LEAF)
567    22 #define RCU_FANOUT_2        (RCU_FANOUT_1 * RCU_FANOUT)
568    23 #define RCU_FANOUT_3        (RCU_FANOUT_2 * RCU_FANOUT)
569    24 #define RCU_FANOUT_4        (RCU_FANOUT_3 * RCU_FANOUT)
570    25
571    26 #if NR_CPUS <= RCU_FANOUT_1
572    27 #  define RCU_NUM_LVLS        1
573    28 #  define NUM_RCU_LVL_0        1
574    29 #  define NUM_RCU_NODES        NUM_RCU_LVL_0
575    30 #  define NUM_RCU_LVL_INIT    { NUM_RCU_LVL_0 }
576    31 #  define RCU_NODE_NAME_INIT  { "rcu_node_0" }
577    32 #  define RCU_FQS_NAME_INIT   { "rcu_node_fqs_0" }
578    33 #  define RCU_EXP_NAME_INIT   { "rcu_node_exp_0" }
579    34 #elif NR_CPUS <= RCU_FANOUT_2
580    35 #  define RCU_NUM_LVLS        2
581    36 #  define NUM_RCU_LVL_0        1
582    37 #  define NUM_RCU_LVL_1        DIV_ROUND_UP(NR_CPUS, RCU_FANOUT_1)
583    38 #  define NUM_RCU_NODES        (NUM_RCU_LVL_0 + NUM_RCU_LVL_1)
584    39 #  define NUM_RCU_LVL_INIT    { NUM_RCU_LVL_0, NUM_RCU_LVL_1 }
585    40 #  define RCU_NODE_NAME_INIT  { "rcu_node_0", "rcu_node_1" }
586    41 #  define RCU_FQS_NAME_INIT   { "rcu_node_fqs_0", "rcu_node_fqs_1" }
587    42 #  define RCU_EXP_NAME_INIT   { "rcu_node_exp_0", "rcu_node_exp_1" }
588    43 #elif NR_CPUS <= RCU_FANOUT_3
589    44 #  define RCU_NUM_LVLS        3
590    45 #  define NUM_RCU_LVL_0        1
591    46 #  define NUM_RCU_LVL_1        DIV_ROUND_UP(NR_CPUS, RCU_FANOUT_2)
592    47 #  define NUM_RCU_LVL_2        DIV_ROUND_UP(NR_CPUS, RCU_FANOUT_1)
593    48 #  define NUM_RCU_NODES        (NUM_RCU_LVL_0 + NUM_RCU_LVL_1 + NUM_RCU_LVL_2)
594    49 #  define NUM_RCU_LVL_INIT    { NUM_RCU_LVL_0, NUM_RCU_LVL_1, NUM_RCU_LVL_2 }
595    50 #  define RCU_NODE_NAME_INIT  { "rcu_node_0", "rcu_node_1", "rcu_node_2" }
596    51 #  define RCU_FQS_NAME_INIT   { "rcu_node_fqs_0", "rcu_node_fqs_1", "rcu_node_fqs_2" }
597    52 #  define RCU_EXP_NAME_INIT   { "rcu_node_exp_0", "rcu_node_exp_1", "rcu_node_exp_2" }
598    53 #elif NR_CPUS <= RCU_FANOUT_4
599    54 #  define RCU_NUM_LVLS        4
600    55 #  define NUM_RCU_LVL_0        1
601    56 #  define NUM_RCU_LVL_1        DIV_ROUND_UP(NR_CPUS, RCU_FANOUT_3)
602    57 #  define NUM_RCU_LVL_2        DIV_ROUND_UP(NR_CPUS, RCU_FANOUT_2)
603    58 #  define NUM_RCU_LVL_3        DIV_ROUND_UP(NR_CPUS, RCU_FANOUT_1)
604    59 #  define NUM_RCU_NODES        (NUM_RCU_LVL_0 + NUM_RCU_LVL_1 + NUM_RCU_LVL_2 + NUM_RCU_LVL_3)
605    60 #  define NUM_RCU_LVL_INIT    { NUM_RCU_LVL_0, NUM_RCU_LVL_1, NUM_RCU_LVL_2, NUM_RCU_LVL_3 }
606    61 #  define RCU_NODE_NAME_INIT  { "rcu_node_0", "rcu_node_1", "rcu_node_2", "rcu_node_3" }
607    62 #  define RCU_FQS_NAME_INIT   { "rcu_node_fqs_0", "rcu_node_fqs_1", "rcu_node_fqs_2", "rcu_node_fqs_3" }
608    63 #  define RCU_EXP_NAME_INIT   { "rcu_node_exp_0", "rcu_node_exp_1", "rcu_node_exp_2", "rcu_node_exp_3" }
609    64 #else
610    65 # error "CONFIG_RCU_FANOUT insufficient for NR_CPUS"
611    66 #endif
612
613 The maximum number of levels in the ``rcu_node`` structure is currently
614 limited to four, as specified by lines 21-24 and the structure of the
615 subsequent “if” statement. For 32-bit systems, this allows
616 16*32*32*32=524,288 CPUs, which should be sufficient for the next few
617 years at least. For 64-bit systems, 16*64*64*64=4,194,304 CPUs is
618 allowed, which should see us through the next decade or so. This
619 four-level tree also allows kernels built with ``CONFIG_RCU_FANOUT=8``
620 to support up to 4096 CPUs, which might be useful in very large systems
621 having eight CPUs per socket (but please note that no one has yet shown
622 any measurable performance degradation due to misaligned socket and
623 ``rcu_node`` boundaries). In addition, building kernels with a full four
624 levels of ``rcu_node`` tree permits better testing of RCU's
625 combining-tree code.
626
627 The ``RCU_FANOUT`` symbol controls how many children are permitted at
628 each non-leaf level of the ``rcu_node`` tree. If the
629 ``CONFIG_RCU_FANOUT`` Kconfig option is not specified, it is set based
630 on the word size of the system, which is also the Kconfig default.
631
632 The ``RCU_FANOUT_LEAF`` symbol controls how many CPUs are handled by
633 each leaf ``rcu_node`` structure. Experience has shown that allowing a
634 given leaf ``rcu_node`` structure to handle 64 CPUs, as permitted by the
635 number of bits in the ``->qsmask`` field on a 64-bit system, results in
636 excessive contention for the leaf ``rcu_node`` structures' ``->lock``
637 fields. The number of CPUs per leaf ``rcu_node`` structure is therefore
638 limited to 16 given the default value of ``CONFIG_RCU_FANOUT_LEAF``. If
639 ``CONFIG_RCU_FANOUT_LEAF`` is unspecified, the value selected is based
640 on the word size of the system, just as for ``CONFIG_RCU_FANOUT``.
641 Lines 11-19 perform this computation.
642
643 Lines 21-24 compute the maximum number of CPUs supported by a
644 single-level (which contains a single ``rcu_node`` structure),
645 two-level, three-level, and four-level ``rcu_node`` tree, respectively,
646 given the fanout specified by ``RCU_FANOUT`` and ``RCU_FANOUT_LEAF``.
647 These numbers of CPUs are retained in the ``RCU_FANOUT_1``,
648 ``RCU_FANOUT_2``, ``RCU_FANOUT_3``, and ``RCU_FANOUT_4`` C-preprocessor
649 variables, respectively.
650
651 These variables are used to control the C-preprocessor ``#if`` statement
652 spanning lines 26-66 that computes the number of ``rcu_node`` structures
653 required for each level of the tree, as well as the number of levels
654 required. The number of levels is placed in the ``NUM_RCU_LVLS``
655 C-preprocessor variable by lines 27, 35, 44, and 54. The number of
656 ``rcu_node`` structures for the topmost level of the tree is always
657 exactly one, and this value is unconditionally placed into
658 ``NUM_RCU_LVL_0`` by lines 28, 36, 45, and 55. The rest of the levels
659 (if any) of the ``rcu_node`` tree are computed by dividing the maximum
660 number of CPUs by the fanout supported by the number of levels from the
661 current level down, rounding up. This computation is performed by
662 lines 37, 46-47, and 56-58. Lines 31-33, 40-42, 50-52, and 62-63 create
663 initializers for lockdep lock-class names. Finally, lines 64-66 produce
664 an error if the maximum number of CPUs is too large for the specified
665 fanout.
666
667 The ``rcu_segcblist`` Structure
668 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
669
670 The ``rcu_segcblist`` structure maintains a segmented list of callbacks
671 as follows:
672
673 ::
674
675     1 #define RCU_DONE_TAIL        0
676     2 #define RCU_WAIT_TAIL        1
677     3 #define RCU_NEXT_READY_TAIL  2
678     4 #define RCU_NEXT_TAIL        3
679     5 #define RCU_CBLIST_NSEGS     4
680     6
681     7 struct rcu_segcblist {
682     8   struct rcu_head *head;
683     9   struct rcu_head **tails[RCU_CBLIST_NSEGS];
684    10   unsigned long gp_seq[RCU_CBLIST_NSEGS];
685    11   long len;
686    12   long len_lazy;
687    13 };
688
689 The segments are as follows:
690
691 #. ``RCU_DONE_TAIL``: Callbacks whose grace periods have elapsed. These
692    callbacks are ready to be invoked.
693 #. ``RCU_WAIT_TAIL``: Callbacks that are waiting for the current grace
694    period. Note that different CPUs can have different ideas about which
695    grace period is current, hence the ``->gp_seq`` field.
696 #. ``RCU_NEXT_READY_TAIL``: Callbacks waiting for the next grace period
697    to start.
698 #. ``RCU_NEXT_TAIL``: Callbacks that have not yet been associated with a
699    grace period.
700
701 The ``->head`` pointer references the first callback or is ``NULL`` if
702 the list contains no callbacks (which is *not* the same as being empty).
703 Each element of the ``->tails[]`` array references the ``->next``
704 pointer of the last callback in the corresponding segment of the list,
705 or the list's ``->head`` pointer if that segment and all previous
706 segments are empty. If the corresponding segment is empty but some
707 previous segment is not empty, then the array element is identical to
708 its predecessor. Older callbacks are closer to the head of the list, and
709 new callbacks are added at the tail. This relationship between the
710 ``->head`` pointer, the ``->tails[]`` array, and the callbacks is shown
711 in this diagram:
712
713 .. kernel-figure:: nxtlist.svg
714
715 In this figure, the ``->head`` pointer references the first RCU callback
716 in the list. The ``->tails[RCU_DONE_TAIL]`` array element references the
717 ``->head`` pointer itself, indicating that none of the callbacks is
718 ready to invoke. The ``->tails[RCU_WAIT_TAIL]`` array element references
719 callback CB 2's ``->next`` pointer, which indicates that CB 1 and CB 2
720 are both waiting on the current grace period, give or take possible
721 disagreements about exactly which grace period is the current one. The
722 ``->tails[RCU_NEXT_READY_TAIL]`` array element references the same RCU
723 callback that ``->tails[RCU_WAIT_TAIL]`` does, which indicates that
724 there are no callbacks waiting on the next RCU grace period. The
725 ``->tails[RCU_NEXT_TAIL]`` array element references CB 4's ``->next``
726 pointer, indicating that all the remaining RCU callbacks have not yet
727 been assigned to an RCU grace period. Note that the
728 ``->tails[RCU_NEXT_TAIL]`` array element always references the last RCU
729 callback's ``->next`` pointer unless the callback list is empty, in
730 which case it references the ``->head`` pointer.
731
732 There is one additional important special case for the
733 ``->tails[RCU_NEXT_TAIL]`` array element: It can be ``NULL`` when this
734 list is *disabled*. Lists are disabled when the corresponding CPU is
735 offline or when the corresponding CPU's callbacks are offloaded to a
736 kthread, both of which are described elsewhere.
737
738 CPUs advance their callbacks from the ``RCU_NEXT_TAIL`` to the
739 ``RCU_NEXT_READY_TAIL`` to the ``RCU_WAIT_TAIL`` to the
740 ``RCU_DONE_TAIL`` list segments as grace periods advance.
741
742 The ``->gp_seq[]`` array records grace-period numbers corresponding to
743 the list segments. This is what allows different CPUs to have different
744 ideas as to which is the current grace period while still avoiding
745 premature invocation of their callbacks. In particular, this allows CPUs
746 that go idle for extended periods to determine which of their callbacks
747 are ready to be invoked after reawakening.
748
749 The ``->len`` counter contains the number of callbacks in ``->head``,
750 and the ``->len_lazy`` contains the number of those callbacks that are
751 known to only free memory, and whose invocation can therefore be safely
752 deferred.
753
754 .. important::
755
756    It is the ``->len`` field that determines whether or
757    not there are callbacks associated with this ``rcu_segcblist``
758    structure, *not* the ``->head`` pointer. The reason for this is that all
759    the ready-to-invoke callbacks (that is, those in the ``RCU_DONE_TAIL``
760    segment) are extracted all at once at callback-invocation time
761    (``rcu_do_batch``), due to which ``->head`` may be set to NULL if there
762    are no not-done callbacks remaining in the ``rcu_segcblist``. If
763    callback invocation must be postponed, for example, because a
764    high-priority process just woke up on this CPU, then the remaining
765    callbacks are placed back on the ``RCU_DONE_TAIL`` segment and
766    ``->head`` once again points to the start of the segment. In short, the
767    head field can briefly be ``NULL`` even though the CPU has callbacks
768    present the entire time. Therefore, it is not appropriate to test the
769    ``->head`` pointer for ``NULL``.
770
771 In contrast, the ``->len`` and ``->len_lazy`` counts are adjusted only
772 after the corresponding callbacks have been invoked. This means that the
773 ``->len`` count is zero only if the ``rcu_segcblist`` structure really
774 is devoid of callbacks. Of course, off-CPU sampling of the ``->len``
775 count requires careful use of appropriate synchronization, for example,
776 memory barriers. This synchronization can be a bit subtle, particularly
777 in the case of ``rcu_barrier()``.
778
779 The ``rcu_data`` Structure
780 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
781
782 The ``rcu_data`` maintains the per-CPU state for the RCU subsystem. The
783 fields in this structure may be accessed only from the corresponding CPU
784 (and from tracing) unless otherwise stated. This structure is the focus
785 of quiescent-state detection and RCU callback queuing. It also tracks
786 its relationship to the corresponding leaf ``rcu_node`` structure to
787 allow more-efficient propagation of quiescent states up the ``rcu_node``
788 combining tree. Like the ``rcu_node`` structure, it provides a local
789 copy of the grace-period information to allow for-free synchronized
790 access to this information from the corresponding CPU. Finally, this
791 structure records past dyntick-idle state for the corresponding CPU and
792 also tracks statistics.
793
794 The ``rcu_data`` structure's fields are discussed, singly and in groups,
795 in the following sections.
796
797 Connection to Other Data Structures
798 '''''''''''''''''''''''''''''''''''
799
800 This portion of the ``rcu_data`` structure is declared as follows:
801
802 ::
803
804      1   int cpu;
805      2   struct rcu_node *mynode;
806      3   unsigned long grpmask;
807      4   bool beenonline;
808
809 The ``->cpu`` field contains the number of the corresponding CPU and the
810 ``->mynode`` field references the corresponding ``rcu_node`` structure.
811 The ``->mynode`` is used to propagate quiescent states up the combining
812 tree. These two fields are constant and therefore do not require
813 synchronization.
814
815 The ``->grpmask`` field indicates the bit in the ``->mynode->qsmask``
816 corresponding to this ``rcu_data`` structure, and is also used when
817 propagating quiescent states. The ``->beenonline`` flag is set whenever
818 the corresponding CPU comes online, which means that the debugfs tracing
819 need not dump out any ``rcu_data`` structure for which this flag is not
820 set.
821
822 Quiescent-State and Grace-Period Tracking
823 '''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
824
825 This portion of the ``rcu_data`` structure is declared as follows:
826
827 ::
828
829      1   unsigned long gp_seq;
830      2   unsigned long gp_seq_needed;
831      3   bool cpu_no_qs;
832      4   bool core_needs_qs;
833      5   bool gpwrap;
834
835 The ``->gp_seq`` field is the counterpart of the field of the same name
836 in the ``rcu_state`` and ``rcu_node`` structures. The
837 ``->gp_seq_needed`` field is the counterpart of the field of the same
838 name in the rcu_node structure. They may each lag up to one behind their
839 ``rcu_node`` counterparts, but in ``CONFIG_NO_HZ_IDLE`` and
840 ``CONFIG_NO_HZ_FULL`` kernels can lag arbitrarily far behind for CPUs in
841 dyntick-idle mode (but these counters will catch up upon exit from
842 dyntick-idle mode). If the lower two bits of a given ``rcu_data``
843 structure's ``->gp_seq`` are zero, then this ``rcu_data`` structure
844 believes that RCU is idle.
845
846 +-----------------------------------------------------------------------+
847 | **Quick Quiz**:                                                       |
848 +-----------------------------------------------------------------------+
849 | All this replication of the grace period numbers can only cause       |
850 | massive confusion. Why not just keep a global sequence number and be  |
851 | done with it???                                                       |
852 +-----------------------------------------------------------------------+
853 | **Answer**:                                                           |
854 +-----------------------------------------------------------------------+
855 | Because if there was only a single global sequence numbers, there     |
856 | would need to be a single global lock to allow safely accessing and   |
857 | updating it. And if we are not going to have a single global lock, we |
858 | need to carefully manage the numbers on a per-node basis. Recall from |
859 | the answer to a previous Quick Quiz that the consequences of applying |
860 | a previously sampled quiescent state to the wrong grace period are    |
861 | quite severe.                                                         |
862 +-----------------------------------------------------------------------+
863
864 The ``->cpu_no_qs`` flag indicates that the CPU has not yet passed
865 through a quiescent state, while the ``->core_needs_qs`` flag indicates
866 that the RCU core needs a quiescent state from the corresponding CPU.
867 The ``->gpwrap`` field indicates that the corresponding CPU has remained
868 idle for so long that the ``gp_seq`` counter is in danger of overflow,
869 which will cause the CPU to disregard the values of its counters on its
870 next exit from idle.
871
872 RCU Callback Handling
873 '''''''''''''''''''''
874
875 In the absence of CPU-hotplug events, RCU callbacks are invoked by the
876 same CPU that registered them. This is strictly a cache-locality
877 optimization: callbacks can and do get invoked on CPUs other than the
878 one that registered them. After all, if the CPU that registered a given
879 callback has gone offline before the callback can be invoked, there
880 really is no other choice.
881
882 This portion of the ``rcu_data`` structure is declared as follows:
883
884 ::
885
886     1 struct rcu_segcblist cblist;
887     2 long qlen_last_fqs_check;
888     3 unsigned long n_cbs_invoked;
889     4 unsigned long n_nocbs_invoked;
890     5 unsigned long n_cbs_orphaned;
891     6 unsigned long n_cbs_adopted;
892     7 unsigned long n_force_qs_snap;
893     8 long blimit;
894
895 The ``->cblist`` structure is the segmented callback list described
896 earlier. The CPU advances the callbacks in its ``rcu_data`` structure
897 whenever it notices that another RCU grace period has completed. The CPU
898 detects the completion of an RCU grace period by noticing that the value
899 of its ``rcu_data`` structure's ``->gp_seq`` field differs from that of
900 its leaf ``rcu_node`` structure. Recall that each ``rcu_node``
901 structure's ``->gp_seq`` field is updated at the beginnings and ends of
902 each grace period.
903
904 The ``->qlen_last_fqs_check`` and ``->n_force_qs_snap`` coordinate the
905 forcing of quiescent states from ``call_rcu()`` and friends when
906 callback lists grow excessively long.
907
908 The ``->n_cbs_invoked``, ``->n_cbs_orphaned``, and ``->n_cbs_adopted``
909 fields count the number of callbacks invoked, sent to other CPUs when
910 this CPU goes offline, and received from other CPUs when those other
911 CPUs go offline. The ``->n_nocbs_invoked`` is used when the CPU's
912 callbacks are offloaded to a kthread.
913
914 Finally, the ``->blimit`` counter is the maximum number of RCU callbacks
915 that may be invoked at a given time.
916
917 Dyntick-Idle Handling
918 '''''''''''''''''''''
919
920 This portion of the ``rcu_data`` structure is declared as follows:
921
922 ::
923
924      1   int dynticks_snap;
925      2   unsigned long dynticks_fqs;
926
927 The ``->dynticks_snap`` field is used to take a snapshot of the
928 corresponding CPU's dyntick-idle state when forcing quiescent states,
929 and is therefore accessed from other CPUs. Finally, the
930 ``->dynticks_fqs`` field is used to count the number of times this CPU
931 is determined to be in dyntick-idle state, and is used for tracing and
932 debugging purposes.
933
934 This portion of the rcu_data structure is declared as follows:
935
936 ::
937
938      1   long dynticks_nesting;
939      2   long dynticks_nmi_nesting;
940      3   atomic_t dynticks;
941      4   bool rcu_need_heavy_qs;
942      5   bool rcu_urgent_qs;
943
944 These fields in the rcu_data structure maintain the per-CPU dyntick-idle
945 state for the corresponding CPU. The fields may be accessed only from
946 the corresponding CPU (and from tracing) unless otherwise stated.
947
948 The ``->dynticks_nesting`` field counts the nesting depth of process
949 execution, so that in normal circumstances this counter has value zero
950 or one. NMIs, irqs, and tracers are counted by the
951 ``->dynticks_nmi_nesting`` field. Because NMIs cannot be masked, changes
952 to this variable have to be undertaken carefully using an algorithm
953 provided by Andy Lutomirski. The initial transition from idle adds one,
954 and nested transitions add two, so that a nesting level of five is
955 represented by a ``->dynticks_nmi_nesting`` value of nine. This counter
956 can therefore be thought of as counting the number of reasons why this
957 CPU cannot be permitted to enter dyntick-idle mode, aside from
958 process-level transitions.
959
960 However, it turns out that when running in non-idle kernel context, the
961 Linux kernel is fully capable of entering interrupt handlers that never
962 exit and perhaps also vice versa. Therefore, whenever the
963 ``->dynticks_nesting`` field is incremented up from zero, the
964 ``->dynticks_nmi_nesting`` field is set to a large positive number, and
965 whenever the ``->dynticks_nesting`` field is decremented down to zero,
966 the the ``->dynticks_nmi_nesting`` field is set to zero. Assuming that
967 the number of misnested interrupts is not sufficient to overflow the
968 counter, this approach corrects the ``->dynticks_nmi_nesting`` field
969 every time the corresponding CPU enters the idle loop from process
970 context.
971
972 The ``->dynticks`` field counts the corresponding CPU's transitions to
973 and from either dyntick-idle or user mode, so that this counter has an
974 even value when the CPU is in dyntick-idle mode or user mode and an odd
975 value otherwise. The transitions to/from user mode need to be counted
976 for user mode adaptive-ticks support (see timers/NO_HZ.txt).
977
978 The ``->rcu_need_heavy_qs`` field is used to record the fact that the
979 RCU core code would really like to see a quiescent state from the
980 corresponding CPU, so much so that it is willing to call for
981 heavy-weight dyntick-counter operations. This flag is checked by RCU's
982 context-switch and ``cond_resched()`` code, which provide a momentary
983 idle sojourn in response.
984
985 Finally, the ``->rcu_urgent_qs`` field is used to record the fact that
986 the RCU core code would really like to see a quiescent state from the
987 corresponding CPU, with the various other fields indicating just how
988 badly RCU wants this quiescent state. This flag is checked by RCU's
989 context-switch path (``rcu_note_context_switch``) and the cond_resched
990 code.
991
992 +-----------------------------------------------------------------------+
993 | **Quick Quiz**:                                                       |
994 +-----------------------------------------------------------------------+
995 | Why not simply combine the ``->dynticks_nesting`` and                 |
996 | ``->dynticks_nmi_nesting`` counters into a single counter that just   |
997 | counts the number of reasons that the corresponding CPU is non-idle?  |
998 +-----------------------------------------------------------------------+
999 | **Answer**:                                                           |
1000 +-----------------------------------------------------------------------+
1001 | Because this would fail in the presence of interrupts whose handlers  |
1002 | never return and of handlers that manage to return from a made-up     |
1003 | interrupt.                                                            |
1004 +-----------------------------------------------------------------------+
1005
1006 Additional fields are present for some special-purpose builds, and are
1007 discussed separately.
1008
1009 The ``rcu_head`` Structure
1010 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1011
1012 Each ``rcu_head`` structure represents an RCU callback. These structures
1013 are normally embedded within RCU-protected data structures whose
1014 algorithms use asynchronous grace periods. In contrast, when using
1015 algorithms that block waiting for RCU grace periods, RCU users need not
1016 provide ``rcu_head`` structures.
1017
1018 The ``rcu_head`` structure has fields as follows:
1019
1020 ::
1021
1022      1   struct rcu_head *next;
1023      2   void (*func)(struct rcu_head *head);
1024
1025 The ``->next`` field is used to link the ``rcu_head`` structures
1026 together in the lists within the ``rcu_data`` structures. The ``->func``
1027 field is a pointer to the function to be called when the callback is
1028 ready to be invoked, and this function is passed a pointer to the
1029 ``rcu_head`` structure. However, ``kfree_rcu()`` uses the ``->func``
1030 field to record the offset of the ``rcu_head`` structure within the
1031 enclosing RCU-protected data structure.
1032
1033 Both of these fields are used internally by RCU. From the viewpoint of
1034 RCU users, this structure is an opaque “cookie”.
1035
1036 +-----------------------------------------------------------------------+
1037 | **Quick Quiz**:                                                       |
1038 +-----------------------------------------------------------------------+
1039 | Given that the callback function ``->func`` is passed a pointer to    |
1040 | the ``rcu_head`` structure, how is that function supposed to find the |
1041 | beginning of the enclosing RCU-protected data structure?              |
1042 +-----------------------------------------------------------------------+
1043 | **Answer**:                                                           |
1044 +-----------------------------------------------------------------------+
1045 | In actual practice, there is a separate callback function per type of |
1046 | RCU-protected data structure. The callback function can therefore use |
1047 | the ``container_of()`` macro in the Linux kernel (or other            |
1048 | pointer-manipulation facilities in other software environments) to    |
1049 | find the beginning of the enclosing structure.                        |
1050 +-----------------------------------------------------------------------+
1051
1052 RCU-Specific Fields in the ``task_struct`` Structure
1053 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1054
1055 The ``CONFIG_PREEMPT_RCU`` implementation uses some additional fields in
1056 the ``task_struct`` structure:
1057
1058 ::
1059
1060     1 #ifdef CONFIG_PREEMPT_RCU
1061     2   int rcu_read_lock_nesting;
1062     3   union rcu_special rcu_read_unlock_special;
1063     4   struct list_head rcu_node_entry;
1064     5   struct rcu_node *rcu_blocked_node;
1065     6 #endif /* #ifdef CONFIG_PREEMPT_RCU */
1066     7 #ifdef CONFIG_TASKS_RCU
1067     8   unsigned long rcu_tasks_nvcsw;
1068     9   bool rcu_tasks_holdout;
1069    10   struct list_head rcu_tasks_holdout_list;
1070    11   int rcu_tasks_idle_cpu;
1071    12 #endif /* #ifdef CONFIG_TASKS_RCU */
1072
1073 The ``->rcu_read_lock_nesting`` field records the nesting level for RCU
1074 read-side critical sections, and the ``->rcu_read_unlock_special`` field
1075 is a bitmask that records special conditions that require
1076 ``rcu_read_unlock()`` to do additional work. The ``->rcu_node_entry``
1077 field is used to form lists of tasks that have blocked within
1078 preemptible-RCU read-side critical sections and the
1079 ``->rcu_blocked_node`` field references the ``rcu_node`` structure whose
1080 list this task is a member of, or ``NULL`` if it is not blocked within a
1081 preemptible-RCU read-side critical section.
1082
1083 The ``->rcu_tasks_nvcsw`` field tracks the number of voluntary context
1084 switches that this task had undergone at the beginning of the current
1085 tasks-RCU grace period, ``->rcu_tasks_holdout`` is set if the current
1086 tasks-RCU grace period is waiting on this task,
1087 ``->rcu_tasks_holdout_list`` is a list element enqueuing this task on
1088 the holdout list, and ``->rcu_tasks_idle_cpu`` tracks which CPU this
1089 idle task is running, but only if the task is currently running, that
1090 is, if the CPU is currently idle.
1091
1092 Accessor Functions
1093 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1094
1095 The following listing shows the ``rcu_get_root()``,
1096 ``rcu_for_each_node_breadth_first`` and ``rcu_for_each_leaf_node()``
1097 function and macros:
1098
1099 ::
1100
1101      1 static struct rcu_node *rcu_get_root(struct rcu_state *rsp)
1102      2 {
1103      3   return &rsp->node[0];
1104      4 }
1105      5
1106      6 #define rcu_for_each_node_breadth_first(rsp, rnp) \
1107      7   for ((rnp) = &(rsp)->node[0]; \
1108      8        (rnp) < &(rsp)->node[NUM_RCU_NODES]; (rnp)++)
1109      9
1110     10 #define rcu_for_each_leaf_node(rsp, rnp) \
1111     11   for ((rnp) = (rsp)->level[NUM_RCU_LVLS - 1]; \
1112     12        (rnp) < &(rsp)->node[NUM_RCU_NODES]; (rnp)++)
1113
1114 The ``rcu_get_root()`` simply returns a pointer to the first element of
1115 the specified ``rcu_state`` structure's ``->node[]`` array, which is the
1116 root ``rcu_node`` structure.
1117
1118 As noted earlier, the ``rcu_for_each_node_breadth_first()`` macro takes
1119 advantage of the layout of the ``rcu_node`` structures in the
1120 ``rcu_state`` structure's ``->node[]`` array, performing a breadth-first
1121 traversal by simply traversing the array in order. Similarly, the
1122 ``rcu_for_each_leaf_node()`` macro traverses only the last part of the
1123 array, thus traversing only the leaf ``rcu_node`` structures.
1124
1125 +-----------------------------------------------------------------------+
1126 | **Quick Quiz**:                                                       |
1127 +-----------------------------------------------------------------------+
1128 | What does ``rcu_for_each_leaf_node()`` do if the ``rcu_node`` tree    |
1129 | contains only a single node?                                          |
1130 +-----------------------------------------------------------------------+
1131 | **Answer**:                                                           |
1132 +-----------------------------------------------------------------------+
1133 | In the single-node case, ``rcu_for_each_leaf_node()`` traverses the   |
1134 | single node.                                                          |
1135 +-----------------------------------------------------------------------+
1136
1137 Summary
1138 ~~~~~~~
1139
1140 So the state of RCU is represented by an ``rcu_state`` structure, which
1141 contains a combining tree of ``rcu_node`` and ``rcu_data`` structures.
1142 Finally, in ``CONFIG_NO_HZ_IDLE`` kernels, each CPU's dyntick-idle state
1143 is tracked by dynticks-related fields in the ``rcu_data`` structure. If
1144 you made it this far, you are well prepared to read the code
1145 walkthroughs in the other articles in this series.
1146
1147 Acknowledgments
1148 ~~~~~~~~~~~~~~~
1149
1150 I owe thanks to Cyrill Gorcunov, Mathieu Desnoyers, Dhaval Giani, Paul
1151 Turner, Abhishek Srivastava, Matt Kowalczyk, and Serge Hallyn for
1152 helping me get this document into a more human-readable state.
1153
1154 Legal Statement
1155 ~~~~~~~~~~~~~~~
1156
1157 This work represents the view of the author and does not necessarily
1158 represent the view of IBM.
1159
1160 Linux is a registered trademark of Linus Torvalds.
1161
1162 Other company, product, and service names may be trademarks or service
1163 marks of others.