Merge tag 'ubifs-for-linus-6.4-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel...
[linux-block.git] / Documentation / RCU / whatisRCU.rst
1 .. _whatisrcu_doc:
2
3 What is RCU?  --  "Read, Copy, Update"
4 ======================================
5
6 Please note that the "What is RCU?" LWN series is an excellent place
7 to start learning about RCU:
8
9 | 1.    What is RCU, Fundamentally?  https://lwn.net/Articles/262464/
10 | 2.    What is RCU? Part 2: Usage   https://lwn.net/Articles/263130/
11 | 3.    RCU part 3: the RCU API      https://lwn.net/Articles/264090/
12 | 4.    The RCU API, 2010 Edition    https://lwn.net/Articles/418853/
13 |       2010 Big API Table           https://lwn.net/Articles/419086/
14 | 5.    The RCU API, 2014 Edition    https://lwn.net/Articles/609904/
15 |       2014 Big API Table           https://lwn.net/Articles/609973/
16 | 6.    The RCU API, 2019 Edition    https://lwn.net/Articles/777036/
17 |       2019 Big API Table           https://lwn.net/Articles/777165/
18
19 For those preferring video:
20
21 | 1.    Unraveling RCU Mysteries: Fundamentals          https://www.linuxfoundation.org/webinars/unraveling-rcu-usage-mysteries
22 | 2.    Unraveling RCU Mysteries: Additional Use Cases  https://www.linuxfoundation.org/webinars/unraveling-rcu-usage-mysteries-additional-use-cases
23
24
25 What is RCU?
26
27 RCU is a synchronization mechanism that was added to the Linux kernel
28 during the 2.5 development effort that is optimized for read-mostly
29 situations.  Although RCU is actually quite simple, making effective use
30 of it requires you to think differently about your code.  Another part
31 of the problem is the mistaken assumption that there is "one true way" to
32 describe and to use RCU.  Instead, the experience has been that different
33 people must take different paths to arrive at an understanding of RCU,
34 depending on their experiences and use cases.  This document provides
35 several different paths, as follows:
36
37 :ref:`1.        RCU OVERVIEW <1_whatisRCU>`
38
39 :ref:`2.        WHAT IS RCU'S CORE API? <2_whatisRCU>`
40
41 :ref:`3.        WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API? <3_whatisRCU>`
42
43 :ref:`4.        WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK? <4_whatisRCU>`
44
45 :ref:`5.        WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU? <5_whatisRCU>`
46
47 :ref:`6.        ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING <6_whatisRCU>`
48
49 :ref:`7.        ANALOGY WITH REFERENCE COUNTING <7_whatisRCU>`
50
51 :ref:`8.        FULL LIST OF RCU APIs <8_whatisRCU>`
52
53 :ref:`9.        ANSWERS TO QUICK QUIZZES <9_whatisRCU>`
54
55 People who prefer starting with a conceptual overview should focus on
56 Section 1, though most readers will profit by reading this section at
57 some point.  People who prefer to start with an API that they can then
58 experiment with should focus on Section 2.  People who prefer to start
59 with example uses should focus on Sections 3 and 4.  People who need to
60 understand the RCU implementation should focus on Section 5, then dive
61 into the kernel source code.  People who reason best by analogy should
62 focus on Section 6.  Section 7 serves as an index to the docbook API
63 documentation, and Section 8 is the traditional answer key.
64
65 So, start with the section that makes the most sense to you and your
66 preferred method of learning.  If you need to know everything about
67 everything, feel free to read the whole thing -- but if you are really
68 that type of person, you have perused the source code and will therefore
69 never need this document anyway.  ;-)
70
71 .. _1_whatisRCU:
72
73 1.  RCU OVERVIEW
74 ----------------
75
76 The basic idea behind RCU is to split updates into "removal" and
77 "reclamation" phases.  The removal phase removes references to data items
78 within a data structure (possibly by replacing them with references to
79 new versions of these data items), and can run concurrently with readers.
80 The reason that it is safe to run the removal phase concurrently with
81 readers is the semantics of modern CPUs guarantee that readers will see
82 either the old or the new version of the data structure rather than a
83 partially updated reference.  The reclamation phase does the work of reclaiming
84 (e.g., freeing) the data items removed from the data structure during the
85 removal phase.  Because reclaiming data items can disrupt any readers
86 concurrently referencing those data items, the reclamation phase must
87 not start until readers no longer hold references to those data items.
88
89 Splitting the update into removal and reclamation phases permits the
90 updater to perform the removal phase immediately, and to defer the
91 reclamation phase until all readers active during the removal phase have
92 completed, either by blocking until they finish or by registering a
93 callback that is invoked after they finish.  Only readers that are active
94 during the removal phase need be considered, because any reader starting
95 after the removal phase will be unable to gain a reference to the removed
96 data items, and therefore cannot be disrupted by the reclamation phase.
97
98 So the typical RCU update sequence goes something like the following:
99
100 a.      Remove pointers to a data structure, so that subsequent
101         readers cannot gain a reference to it.
102
103 b.      Wait for all previous readers to complete their RCU read-side
104         critical sections.
105
106 c.      At this point, there cannot be any readers who hold references
107         to the data structure, so it now may safely be reclaimed
108         (e.g., kfree()d).
109
110 Step (b) above is the key idea underlying RCU's deferred destruction.
111 The ability to wait until all readers are done allows RCU readers to
112 use much lighter-weight synchronization, in some cases, absolutely no
113 synchronization at all.  In contrast, in more conventional lock-based
114 schemes, readers must use heavy-weight synchronization in order to
115 prevent an updater from deleting the data structure out from under them.
116 This is because lock-based updaters typically update data items in place,
117 and must therefore exclude readers.  In contrast, RCU-based updaters
118 typically take advantage of the fact that writes to single aligned
119 pointers are atomic on modern CPUs, allowing atomic insertion, removal,
120 and replacement of data items in a linked structure without disrupting
121 readers.  Concurrent RCU readers can then continue accessing the old
122 versions, and can dispense with the atomic operations, memory barriers,
123 and communications cache misses that are so expensive on present-day
124 SMP computer systems, even in absence of lock contention.
125
126 In the three-step procedure shown above, the updater is performing both
127 the removal and the reclamation step, but it is often helpful for an
128 entirely different thread to do the reclamation, as is in fact the case
129 in the Linux kernel's directory-entry cache (dcache).  Even if the same
130 thread performs both the update step (step (a) above) and the reclamation
131 step (step (c) above), it is often helpful to think of them separately.
132 For example, RCU readers and updaters need not communicate at all,
133 but RCU provides implicit low-overhead communication between readers
134 and reclaimers, namely, in step (b) above.
135
136 So how the heck can a reclaimer tell when a reader is done, given
137 that readers are not doing any sort of synchronization operations???
138 Read on to learn about how RCU's API makes this easy.
139
140 .. _2_whatisRCU:
141
142 2.  WHAT IS RCU'S CORE API?
143 ---------------------------
144
145 The core RCU API is quite small:
146
147 a.      rcu_read_lock()
148 b.      rcu_read_unlock()
149 c.      synchronize_rcu() / call_rcu()
150 d.      rcu_assign_pointer()
151 e.      rcu_dereference()
152
153 There are many other members of the RCU API, but the rest can be
154 expressed in terms of these five, though most implementations instead
155 express synchronize_rcu() in terms of the call_rcu() callback API.
156
157 The five core RCU APIs are described below, the other 18 will be enumerated
158 later.  See the kernel docbook documentation for more info, or look directly
159 at the function header comments.
160
161 rcu_read_lock()
162 ^^^^^^^^^^^^^^^
163         void rcu_read_lock(void);
164
165         This temporal primitive is used by a reader to inform the
166         reclaimer that the reader is entering an RCU read-side critical
167         section.  It is illegal to block while in an RCU read-side
168         critical section, though kernels built with CONFIG_PREEMPT_RCU
169         can preempt RCU read-side critical sections.  Any RCU-protected
170         data structure accessed during an RCU read-side critical section
171         is guaranteed to remain unreclaimed for the full duration of that
172         critical section.  Reference counts may be used in conjunction
173         with RCU to maintain longer-term references to data structures.
174
175 rcu_read_unlock()
176 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
177         void rcu_read_unlock(void);
178
179         This temporal primitives is used by a reader to inform the
180         reclaimer that the reader is exiting an RCU read-side critical
181         section.  Note that RCU read-side critical sections may be nested
182         and/or overlapping.
183
184 synchronize_rcu()
185 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
186         void synchronize_rcu(void);
187
188         This temporal primitive marks the end of updater code and the
189         beginning of reclaimer code.  It does this by blocking until
190         all pre-existing RCU read-side critical sections on all CPUs
191         have completed.  Note that synchronize_rcu() will **not**
192         necessarily wait for any subsequent RCU read-side critical
193         sections to complete.  For example, consider the following
194         sequence of events::
195
196                  CPU 0                  CPU 1                 CPU 2
197              ----------------- ------------------------- ---------------
198          1.  rcu_read_lock()
199          2.                    enters synchronize_rcu()
200          3.                                               rcu_read_lock()
201          4.  rcu_read_unlock()
202          5.                     exits synchronize_rcu()
203          6.                                              rcu_read_unlock()
204
205         To reiterate, synchronize_rcu() waits only for ongoing RCU
206         read-side critical sections to complete, not necessarily for
207         any that begin after synchronize_rcu() is invoked.
208
209         Of course, synchronize_rcu() does not necessarily return
210         **immediately** after the last pre-existing RCU read-side critical
211         section completes.  For one thing, there might well be scheduling
212         delays.  For another thing, many RCU implementations process
213         requests in batches in order to improve efficiencies, which can
214         further delay synchronize_rcu().
215
216         Since synchronize_rcu() is the API that must figure out when
217         readers are done, its implementation is key to RCU.  For RCU
218         to be useful in all but the most read-intensive situations,
219         synchronize_rcu()'s overhead must also be quite small.
220
221         The call_rcu() API is an asynchronous callback form of
222         synchronize_rcu(), and is described in more detail in a later
223         section.  Instead of blocking, it registers a function and
224         argument which are invoked after all ongoing RCU read-side
225         critical sections have completed.  This callback variant is
226         particularly useful in situations where it is illegal to block
227         or where update-side performance is critically important.
228
229         However, the call_rcu() API should not be used lightly, as use
230         of the synchronize_rcu() API generally results in simpler code.
231         In addition, the synchronize_rcu() API has the nice property
232         of automatically limiting update rate should grace periods
233         be delayed.  This property results in system resilience in face
234         of denial-of-service attacks.  Code using call_rcu() should limit
235         update rate in order to gain this same sort of resilience.  See
236         checklist.rst for some approaches to limiting the update rate.
237
238 rcu_assign_pointer()
239 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
240         void rcu_assign_pointer(p, typeof(p) v);
241
242         Yes, rcu_assign_pointer() **is** implemented as a macro, though it
243         would be cool to be able to declare a function in this manner.
244         (Compiler experts will no doubt disagree.)
245
246         The updater uses this spatial macro to assign a new value to an
247         RCU-protected pointer, in order to safely communicate the change
248         in value from the updater to the reader.  This is a spatial (as
249         opposed to temporal) macro.  It does not evaluate to an rvalue,
250         but it does execute any memory-barrier instructions required
251         for a given CPU architecture.  Its ordering properties are that
252         of a store-release operation.
253
254         Perhaps just as important, it serves to document (1) which
255         pointers are protected by RCU and (2) the point at which a
256         given structure becomes accessible to other CPUs.  That said,
257         rcu_assign_pointer() is most frequently used indirectly, via
258         the _rcu list-manipulation primitives such as list_add_rcu().
259
260 rcu_dereference()
261 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
262         typeof(p) rcu_dereference(p);
263
264         Like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() must be implemented
265         as a macro.
266
267         The reader uses the spatial rcu_dereference() macro to fetch
268         an RCU-protected pointer, which returns a value that may
269         then be safely dereferenced.  Note that rcu_dereference()
270         does not actually dereference the pointer, instead, it
271         protects the pointer for later dereferencing.  It also
272         executes any needed memory-barrier instructions for a given
273         CPU architecture.  Currently, only Alpha needs memory barriers
274         within rcu_dereference() -- on other CPUs, it compiles to a
275         volatile load.
276
277         Common coding practice uses rcu_dereference() to copy an
278         RCU-protected pointer to a local variable, then dereferences
279         this local variable, for example as follows::
280
281                 p = rcu_dereference(head.next);
282                 return p->data;
283
284         However, in this case, one could just as easily combine these
285         into one statement::
286
287                 return rcu_dereference(head.next)->data;
288
289         If you are going to be fetching multiple fields from the
290         RCU-protected structure, using the local variable is of
291         course preferred.  Repeated rcu_dereference() calls look
292         ugly, do not guarantee that the same pointer will be returned
293         if an update happened while in the critical section, and incur
294         unnecessary overhead on Alpha CPUs.
295
296         Note that the value returned by rcu_dereference() is valid
297         only within the enclosing RCU read-side critical section [1]_.
298         For example, the following is **not** legal::
299
300                 rcu_read_lock();
301                 p = rcu_dereference(head.next);
302                 rcu_read_unlock();
303                 x = p->address; /* BUG!!! */
304                 rcu_read_lock();
305                 y = p->data;    /* BUG!!! */
306                 rcu_read_unlock();
307
308         Holding a reference from one RCU read-side critical section
309         to another is just as illegal as holding a reference from
310         one lock-based critical section to another!  Similarly,
311         using a reference outside of the critical section in which
312         it was acquired is just as illegal as doing so with normal
313         locking.
314
315         As with rcu_assign_pointer(), an important function of
316         rcu_dereference() is to document which pointers are protected by
317         RCU, in particular, flagging a pointer that is subject to changing
318         at any time, including immediately after the rcu_dereference().
319         And, again like rcu_assign_pointer(), rcu_dereference() is
320         typically used indirectly, via the _rcu list-manipulation
321         primitives, such as list_for_each_entry_rcu() [2]_.
322
323 ..      [1] The variant rcu_dereference_protected() can be used outside
324         of an RCU read-side critical section as long as the usage is
325         protected by locks acquired by the update-side code.  This variant
326         avoids the lockdep warning that would happen when using (for
327         example) rcu_dereference() without rcu_read_lock() protection.
328         Using rcu_dereference_protected() also has the advantage
329         of permitting compiler optimizations that rcu_dereference()
330         must prohibit.  The rcu_dereference_protected() variant takes
331         a lockdep expression to indicate which locks must be acquired
332         by the caller. If the indicated protection is not provided,
333         a lockdep splat is emitted.  See Design/Requirements/Requirements.rst
334         and the API's code comments for more details and example usage.
335
336 ..      [2] If the list_for_each_entry_rcu() instance might be used by
337         update-side code as well as by RCU readers, then an additional
338         lockdep expression can be added to its list of arguments.
339         For example, given an additional "lock_is_held(&mylock)" argument,
340         the RCU lockdep code would complain only if this instance was
341         invoked outside of an RCU read-side critical section and without
342         the protection of mylock.
343
344 The following diagram shows how each API communicates among the
345 reader, updater, and reclaimer.
346 ::
347
348
349             rcu_assign_pointer()
350                                     +--------+
351             +---------------------->| reader |---------+
352             |                       +--------+         |
353             |                           |              |
354             |                           |              | Protect:
355             |                           |              | rcu_read_lock()
356             |                           |              | rcu_read_unlock()
357             |        rcu_dereference()  |              |
358             +---------+                 |              |
359             | updater |<----------------+              |
360             +---------+                                V
361             |                                    +-----------+
362             +----------------------------------->| reclaimer |
363                                                  +-----------+
364               Defer:
365               synchronize_rcu() & call_rcu()
366
367
368 The RCU infrastructure observes the temporal sequence of rcu_read_lock(),
369 rcu_read_unlock(), synchronize_rcu(), and call_rcu() invocations in
370 order to determine when (1) synchronize_rcu() invocations may return
371 to their callers and (2) call_rcu() callbacks may be invoked.  Efficient
372 implementations of the RCU infrastructure make heavy use of batching in
373 order to amortize their overhead over many uses of the corresponding APIs.
374 The rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() invocations communicate
375 spatial changes via stores to and loads from the RCU-protected pointer in
376 question.
377
378 There are at least three flavors of RCU usage in the Linux kernel. The diagram
379 above shows the most common one. On the updater side, the rcu_assign_pointer(),
380 synchronize_rcu() and call_rcu() primitives used are the same for all three
381 flavors. However for protection (on the reader side), the primitives used vary
382 depending on the flavor:
383
384 a.      rcu_read_lock() / rcu_read_unlock()
385         rcu_dereference()
386
387 b.      rcu_read_lock_bh() / rcu_read_unlock_bh()
388         local_bh_disable() / local_bh_enable()
389         rcu_dereference_bh()
390
391 c.      rcu_read_lock_sched() / rcu_read_unlock_sched()
392         preempt_disable() / preempt_enable()
393         local_irq_save() / local_irq_restore()
394         hardirq enter / hardirq exit
395         NMI enter / NMI exit
396         rcu_dereference_sched()
397
398 These three flavors are used as follows:
399
400 a.      RCU applied to normal data structures.
401
402 b.      RCU applied to networking data structures that may be subjected
403         to remote denial-of-service attacks.
404
405 c.      RCU applied to scheduler and interrupt/NMI-handler tasks.
406
407 Again, most uses will be of (a).  The (b) and (c) cases are important
408 for specialized uses, but are relatively uncommon.  The SRCU, RCU-Tasks,
409 RCU-Tasks-Rude, and RCU-Tasks-Trace have similar relationships among
410 their assorted primitives.
411
412 .. _3_whatisRCU:
413
414 3.  WHAT ARE SOME EXAMPLE USES OF CORE RCU API?
415 -----------------------------------------------
416
417 This section shows a simple use of the core RCU API to protect a
418 global pointer to a dynamically allocated structure.  More-typical
419 uses of RCU may be found in listRCU.rst, arrayRCU.rst, and NMI-RCU.rst.
420 ::
421
422         struct foo {
423                 int a;
424                 char b;
425                 long c;
426         };
427         DEFINE_SPINLOCK(foo_mutex);
428
429         struct foo __rcu *gbl_foo;
430
431         /*
432          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
433          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
434          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
435          * frees up the old structure after a grace period.
436          *
437          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
438          * see the initialized version of the new structure.
439          *
440          * Uses synchronize_rcu() to ensure that any readers that might
441          * have references to the old structure complete before freeing
442          * the old structure.
443          */
444         void foo_update_a(int new_a)
445         {
446                 struct foo *new_fp;
447                 struct foo *old_fp;
448
449                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
450                 spin_lock(&foo_mutex);
451                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
452                 *new_fp = *old_fp;
453                 new_fp->a = new_a;
454                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
455                 spin_unlock(&foo_mutex);
456                 synchronize_rcu();
457                 kfree(old_fp);
458         }
459
460         /*
461          * Return the value of field "a" of the current gbl_foo
462          * structure.  Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock()
463          * to ensure that the structure does not get deleted out
464          * from under us, and use rcu_dereference() to ensure that
465          * we see the initialized version of the structure (important
466          * for DEC Alpha and for people reading the code).
467          */
468         int foo_get_a(void)
469         {
470                 int retval;
471
472                 rcu_read_lock();
473                 retval = rcu_dereference(gbl_foo)->a;
474                 rcu_read_unlock();
475                 return retval;
476         }
477
478 So, to sum up:
479
480 -       Use rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() to guard RCU
481         read-side critical sections.
482
483 -       Within an RCU read-side critical section, use rcu_dereference()
484         to dereference RCU-protected pointers.
485
486 -       Use some solid design (such as locks or semaphores) to
487         keep concurrent updates from interfering with each other.
488
489 -       Use rcu_assign_pointer() to update an RCU-protected pointer.
490         This primitive protects concurrent readers from the updater,
491         **not** concurrent updates from each other!  You therefore still
492         need to use locking (or something similar) to keep concurrent
493         rcu_assign_pointer() primitives from interfering with each other.
494
495 -       Use synchronize_rcu() **after** removing a data element from an
496         RCU-protected data structure, but **before** reclaiming/freeing
497         the data element, in order to wait for the completion of all
498         RCU read-side critical sections that might be referencing that
499         data item.
500
501 See checklist.rst for additional rules to follow when using RCU.
502 And again, more-typical uses of RCU may be found in listRCU.rst,
503 arrayRCU.rst, and NMI-RCU.rst.
504
505 .. _4_whatisRCU:
506
507 4.  WHAT IF MY UPDATING THREAD CANNOT BLOCK?
508 --------------------------------------------
509
510 In the example above, foo_update_a() blocks until a grace period elapses.
511 This is quite simple, but in some cases one cannot afford to wait so
512 long -- there might be other high-priority work to be done.
513
514 In such cases, one uses call_rcu() rather than synchronize_rcu().
515 The call_rcu() API is as follows::
516
517         void call_rcu(struct rcu_head *head, rcu_callback_t func);
518
519 This function invokes func(head) after a grace period has elapsed.
520 This invocation might happen from either softirq or process context,
521 so the function is not permitted to block.  The foo struct needs to
522 have an rcu_head structure added, perhaps as follows::
523
524         struct foo {
525                 int a;
526                 char b;
527                 long c;
528                 struct rcu_head rcu;
529         };
530
531 The foo_update_a() function might then be written as follows::
532
533         /*
534          * Create a new struct foo that is the same as the one currently
535          * pointed to by gbl_foo, except that field "a" is replaced
536          * with "new_a".  Points gbl_foo to the new structure, and
537          * frees up the old structure after a grace period.
538          *
539          * Uses rcu_assign_pointer() to ensure that concurrent readers
540          * see the initialized version of the new structure.
541          *
542          * Uses call_rcu() to ensure that any readers that might have
543          * references to the old structure complete before freeing the
544          * old structure.
545          */
546         void foo_update_a(int new_a)
547         {
548                 struct foo *new_fp;
549                 struct foo *old_fp;
550
551                 new_fp = kmalloc(sizeof(*new_fp), GFP_KERNEL);
552                 spin_lock(&foo_mutex);
553                 old_fp = rcu_dereference_protected(gbl_foo, lockdep_is_held(&foo_mutex));
554                 *new_fp = *old_fp;
555                 new_fp->a = new_a;
556                 rcu_assign_pointer(gbl_foo, new_fp);
557                 spin_unlock(&foo_mutex);
558                 call_rcu(&old_fp->rcu, foo_reclaim);
559         }
560
561 The foo_reclaim() function might appear as follows::
562
563         void foo_reclaim(struct rcu_head *rp)
564         {
565                 struct foo *fp = container_of(rp, struct foo, rcu);
566
567                 foo_cleanup(fp->a);
568
569                 kfree(fp);
570         }
571
572 The container_of() primitive is a macro that, given a pointer into a
573 struct, the type of the struct, and the pointed-to field within the
574 struct, returns a pointer to the beginning of the struct.
575
576 The use of call_rcu() permits the caller of foo_update_a() to
577 immediately regain control, without needing to worry further about the
578 old version of the newly updated element.  It also clearly shows the
579 RCU distinction between updater, namely foo_update_a(), and reclaimer,
580 namely foo_reclaim().
581
582 The summary of advice is the same as for the previous section, except
583 that we are now using call_rcu() rather than synchronize_rcu():
584
585 -       Use call_rcu() **after** removing a data element from an
586         RCU-protected data structure in order to register a callback
587         function that will be invoked after the completion of all RCU
588         read-side critical sections that might be referencing that
589         data item.
590
591 If the callback for call_rcu() is not doing anything more than calling
592 kfree() on the structure, you can use kfree_rcu() instead of call_rcu()
593 to avoid having to write your own callback::
594
595         kfree_rcu(old_fp, rcu);
596
597 If the occasional sleep is permitted, the single-argument form may
598 be used, omitting the rcu_head structure from struct foo.
599
600         kfree_rcu_mightsleep(old_fp);
601
602 This variant almost never blocks, but might do so by invoking
603 synchronize_rcu() in response to memory-allocation failure.
604
605 Again, see checklist.rst for additional rules governing the use of RCU.
606
607 .. _5_whatisRCU:
608
609 5.  WHAT ARE SOME SIMPLE IMPLEMENTATIONS OF RCU?
610 ------------------------------------------------
611
612 One of the nice things about RCU is that it has extremely simple "toy"
613 implementations that are a good first step towards understanding the
614 production-quality implementations in the Linux kernel.  This section
615 presents two such "toy" implementations of RCU, one that is implemented
616 in terms of familiar locking primitives, and another that more closely
617 resembles "classic" RCU.  Both are way too simple for real-world use,
618 lacking both functionality and performance.  However, they are useful
619 in getting a feel for how RCU works.  See kernel/rcu/update.c for a
620 production-quality implementation, and see:
621
622         https://docs.google.com/document/d/1X0lThx8OK0ZgLMqVoXiR4ZrGURHrXK6NyLRbeXe3Xac/edit
623
624 for papers describing the Linux kernel RCU implementation.  The OLS'01
625 and OLS'02 papers are a good introduction, and the dissertation provides
626 more details on the current implementation as of early 2004.
627
628
629 5A.  "TOY" IMPLEMENTATION #1: LOCKING
630 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
631 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
632 familiar locking primitives.  Its overhead makes it a non-starter for
633 real-life use, as does its lack of scalability.  It is also unsuitable
634 for realtime use, since it allows scheduling latency to "bleed" from
635 one read-side critical section to another.  It also assumes recursive
636 reader-writer locks:  If you try this with non-recursive locks, and
637 you allow nested rcu_read_lock() calls, you can deadlock.
638
639 However, it is probably the easiest implementation to relate to, so is
640 a good starting point.
641
642 It is extremely simple::
643
644         static DEFINE_RWLOCK(rcu_gp_mutex);
645
646         void rcu_read_lock(void)
647         {
648                 read_lock(&rcu_gp_mutex);
649         }
650
651         void rcu_read_unlock(void)
652         {
653                 read_unlock(&rcu_gp_mutex);
654         }
655
656         void synchronize_rcu(void)
657         {
658                 write_lock(&rcu_gp_mutex);
659                 smp_mb__after_spinlock();
660                 write_unlock(&rcu_gp_mutex);
661         }
662
663 [You can ignore rcu_assign_pointer() and rcu_dereference() without missing
664 much.  But here are simplified versions anyway.  And whatever you do,
665 don't forget about them when submitting patches making use of RCU!]::
666
667         #define rcu_assign_pointer(p, v) \
668         ({ \
669                 smp_store_release(&(p), (v)); \
670         })
671
672         #define rcu_dereference(p) \
673         ({ \
674                 typeof(p) _________p1 = READ_ONCE(p); \
675                 (_________p1); \
676         })
677
678
679 The rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() primitive read-acquire
680 and release a global reader-writer lock.  The synchronize_rcu()
681 primitive write-acquires this same lock, then releases it.  This means
682 that once synchronize_rcu() exits, all RCU read-side critical sections
683 that were in progress before synchronize_rcu() was called are guaranteed
684 to have completed -- there is no way that synchronize_rcu() would have
685 been able to write-acquire the lock otherwise.  The smp_mb__after_spinlock()
686 promotes synchronize_rcu() to a full memory barrier in compliance with
687 the "Memory-Barrier Guarantees" listed in:
688
689         Design/Requirements/Requirements.rst
690
691 It is possible to nest rcu_read_lock(), since reader-writer locks may
692 be recursively acquired.  Note also that rcu_read_lock() is immune
693 from deadlock (an important property of RCU).  The reason for this is
694 that the only thing that can block rcu_read_lock() is a synchronize_rcu().
695 But synchronize_rcu() does not acquire any locks while holding rcu_gp_mutex,
696 so there can be no deadlock cycle.
697
698 .. _quiz_1:
699
700 Quick Quiz #1:
701                 Why is this argument naive?  How could a deadlock
702                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
703                 kernel?  How could this deadlock be avoided?
704
705 :ref:`Answers to Quick Quiz <9_whatisRCU>`
706
707 5B.  "TOY" EXAMPLE #2: CLASSIC RCU
708 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
709 This section presents a "toy" RCU implementation that is based on
710 "classic RCU".  It is also short on performance (but only for updates) and
711 on features such as hotplug CPU and the ability to run in CONFIG_PREEMPTION
712 kernels.  The definitions of rcu_dereference() and rcu_assign_pointer()
713 are the same as those shown in the preceding section, so they are omitted.
714 ::
715
716         void rcu_read_lock(void) { }
717
718         void rcu_read_unlock(void) { }
719
720         void synchronize_rcu(void)
721         {
722                 int cpu;
723
724                 for_each_possible_cpu(cpu)
725                         run_on(cpu);
726         }
727
728 Note that rcu_read_lock() and rcu_read_unlock() do absolutely nothing.
729 This is the great strength of classic RCU in a non-preemptive kernel:
730 read-side overhead is precisely zero, at least on non-Alpha CPUs.
731 And there is absolutely no way that rcu_read_lock() can possibly
732 participate in a deadlock cycle!
733
734 The implementation of synchronize_rcu() simply schedules itself on each
735 CPU in turn.  The run_on() primitive can be implemented straightforwardly
736 in terms of the sched_setaffinity() primitive.  Of course, a somewhat less
737 "toy" implementation would restore the affinity upon completion rather
738 than just leaving all tasks running on the last CPU, but when I said
739 "toy", I meant **toy**!
740
741 So how the heck is this supposed to work???
742
743 Remember that it is illegal to block while in an RCU read-side critical
744 section.  Therefore, if a given CPU executes a context switch, we know
745 that it must have completed all preceding RCU read-side critical sections.
746 Once **all** CPUs have executed a context switch, then **all** preceding
747 RCU read-side critical sections will have completed.
748
749 So, suppose that we remove a data item from its structure and then invoke
750 synchronize_rcu().  Once synchronize_rcu() returns, we are guaranteed
751 that there are no RCU read-side critical sections holding a reference
752 to that data item, so we can safely reclaim it.
753
754 .. _quiz_2:
755
756 Quick Quiz #2:
757                 Give an example where Classic RCU's read-side
758                 overhead is **negative**.
759
760 :ref:`Answers to Quick Quiz <9_whatisRCU>`
761
762 .. _quiz_3:
763
764 Quick Quiz #3:
765                 If it is illegal to block in an RCU read-side
766                 critical section, what the heck do you do in
767                 CONFIG_PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
768
769 :ref:`Answers to Quick Quiz <9_whatisRCU>`
770
771 .. _6_whatisRCU:
772
773 6.  ANALOGY WITH READER-WRITER LOCKING
774 --------------------------------------
775
776 Although RCU can be used in many different ways, a very common use of
777 RCU is analogous to reader-writer locking.  The following unified
778 diff shows how closely related RCU and reader-writer locking can be.
779 ::
780
781         @@ -5,5 +5,5 @@ struct el {
782                 int data;
783                 /* Other data fields */
784          };
785         -rwlock_t listmutex;
786         +spinlock_t listmutex;
787          struct el head;
788
789         @@ -13,15 +14,15 @@
790                 struct list_head *lp;
791                 struct el *p;
792
793         -       read_lock(&listmutex);
794         -       list_for_each_entry(p, head, lp) {
795         +       rcu_read_lock();
796         +       list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
797                         if (p->key == key) {
798                                 *result = p->data;
799         -                       read_unlock(&listmutex);
800         +                       rcu_read_unlock();
801                                 return 1;
802                         }
803                 }
804         -       read_unlock(&listmutex);
805         +       rcu_read_unlock();
806                 return 0;
807          }
808
809         @@ -29,15 +30,16 @@
810          {
811                 struct el *p;
812
813         -       write_lock(&listmutex);
814         +       spin_lock(&listmutex);
815                 list_for_each_entry(p, head, lp) {
816                         if (p->key == key) {
817         -                       list_del(&p->list);
818         -                       write_unlock(&listmutex);
819         +                       list_del_rcu(&p->list);
820         +                       spin_unlock(&listmutex);
821         +                       synchronize_rcu();
822                                 kfree(p);
823                                 return 1;
824                         }
825                 }
826         -       write_unlock(&listmutex);
827         +       spin_unlock(&listmutex);
828                 return 0;
829          }
830
831 Or, for those who prefer a side-by-side listing::
832
833  1 struct el {                          1 struct el {
834  2   struct list_head list;             2   struct list_head list;
835  3   long key;                          3   long key;
836  4   spinlock_t mutex;                  4   spinlock_t mutex;
837  5   int data;                          5   int data;
838  6   /* Other data fields */            6   /* Other data fields */
839  7 };                                   7 };
840  8 rwlock_t listmutex;                  8 spinlock_t listmutex;
841  9 struct el head;                      9 struct el head;
842
843 ::
844
845   1 int search(long key, int *result)    1 int search(long key, int *result)
846   2 {                                    2 {
847   3   struct list_head *lp;              3   struct list_head *lp;
848   4   struct el *p;                      4   struct el *p;
849   5                                      5
850   6   read_lock(&listmutex);             6   rcu_read_lock();
851   7   list_for_each_entry(p, head, lp) { 7   list_for_each_entry_rcu(p, head, lp) {
852   8     if (p->key == key) {             8     if (p->key == key) {
853   9       *result = p->data;             9       *result = p->data;
854  10       read_unlock(&listmutex);      10       rcu_read_unlock();
855  11       return 1;                     11       return 1;
856  12     }                               12     }
857  13   }                                 13   }
858  14   read_unlock(&listmutex);          14   rcu_read_unlock();
859  15   return 0;                         15   return 0;
860  16 }                                   16 }
861
862 ::
863
864   1 int delete(long key)                 1 int delete(long key)
865   2 {                                    2 {
866   3   struct el *p;                      3   struct el *p;
867   4                                      4
868   5   write_lock(&listmutex);            5   spin_lock(&listmutex);
869   6   list_for_each_entry(p, head, lp) { 6   list_for_each_entry(p, head, lp) {
870   7     if (p->key == key) {             7     if (p->key == key) {
871   8       list_del(&p->list);            8       list_del_rcu(&p->list);
872   9       write_unlock(&listmutex);      9       spin_unlock(&listmutex);
873                                         10       synchronize_rcu();
874  10       kfree(p);                     11       kfree(p);
875  11       return 1;                     12       return 1;
876  12     }                               13     }
877  13   }                                 14   }
878  14   write_unlock(&listmutex);         15   spin_unlock(&listmutex);
879  15   return 0;                         16   return 0;
880  16 }                                   17 }
881
882 Either way, the differences are quite small.  Read-side locking moves
883 to rcu_read_lock() and rcu_read_unlock, update-side locking moves from
884 a reader-writer lock to a simple spinlock, and a synchronize_rcu()
885 precedes the kfree().
886
887 However, there is one potential catch: the read-side and update-side
888 critical sections can now run concurrently.  In many cases, this will
889 not be a problem, but it is necessary to check carefully regardless.
890 For example, if multiple independent list updates must be seen as
891 a single atomic update, converting to RCU will require special care.
892
893 Also, the presence of synchronize_rcu() means that the RCU version of
894 delete() can now block.  If this is a problem, there is a callback-based
895 mechanism that never blocks, namely call_rcu() or kfree_rcu(), that can
896 be used in place of synchronize_rcu().
897
898 .. _7_whatisRCU:
899
900 7.  ANALOGY WITH REFERENCE COUNTING
901 -----------------------------------
902
903 The reader-writer analogy (illustrated by the previous section) is not
904 always the best way to think about using RCU.  Another helpful analogy
905 considers RCU an effective reference count on everything which is
906 protected by RCU.
907
908 A reference count typically does not prevent the referenced object's
909 values from changing, but does prevent changes to type -- particularly the
910 gross change of type that happens when that object's memory is freed and
911 re-allocated for some other purpose.  Once a type-safe reference to the
912 object is obtained, some other mechanism is needed to ensure consistent
913 access to the data in the object.  This could involve taking a spinlock,
914 but with RCU the typical approach is to perform reads with SMP-aware
915 operations such as smp_load_acquire(), to perform updates with atomic
916 read-modify-write operations, and to provide the necessary ordering.
917 RCU provides a number of support functions that embed the required
918 operations and ordering, such as the list_for_each_entry_rcu() macro
919 used in the previous section.
920
921 A more focused view of the reference counting behavior is that,
922 between rcu_read_lock() and rcu_read_unlock(), any reference taken with
923 rcu_dereference() on a pointer marked as ``__rcu`` can be treated as
924 though a reference-count on that object has been temporarily increased.
925 This prevents the object from changing type.  Exactly what this means
926 will depend on normal expectations of objects of that type, but it
927 typically includes that spinlocks can still be safely locked, normal
928 reference counters can be safely manipulated, and ``__rcu`` pointers
929 can be safely dereferenced.
930
931 Some operations that one might expect to see on an object for
932 which an RCU reference is held include:
933
934  - Copying out data that is guaranteed to be stable by the object's type.
935  - Using kref_get_unless_zero() or similar to get a longer-term
936    reference.  This may fail of course.
937  - Acquiring a spinlock in the object, and checking if the object still
938    is the expected object and if so, manipulating it freely.
939
940 The understanding that RCU provides a reference that only prevents a
941 change of type is particularly visible with objects allocated from a
942 slab cache marked ``SLAB_TYPESAFE_BY_RCU``.  RCU operations may yield a
943 reference to an object from such a cache that has been concurrently freed
944 and the memory reallocated to a completely different object, though of
945 the same type.  In this case RCU doesn't even protect the identity of the
946 object from changing, only its type.  So the object found may not be the
947 one expected, but it will be one where it is safe to take a reference
948 (and then potentially acquiring a spinlock), allowing subsequent code
949 to check whether the identity matches expectations.  It is tempting
950 to simply acquire the spinlock without first taking the reference, but
951 unfortunately any spinlock in a ``SLAB_TYPESAFE_BY_RCU`` object must be
952 initialized after each and every call to kmem_cache_alloc(), which renders
953 reference-free spinlock acquisition completely unsafe.  Therefore, when
954 using ``SLAB_TYPESAFE_BY_RCU``, make proper use of a reference counter.
955 (Those willing to use a kmem_cache constructor may also use locking,
956 including cache-friendly sequence locking.)
957
958 With traditional reference counting -- such as that implemented by the
959 kref library in Linux -- there is typically code that runs when the last
960 reference to an object is dropped.  With kref, this is the function
961 passed to kref_put().  When RCU is being used, such finalization code
962 must not be run until all ``__rcu`` pointers referencing the object have
963 been updated, and then a grace period has passed.  Every remaining
964 globally visible pointer to the object must be considered to be a
965 potential counted reference, and the finalization code is typically run
966 using call_rcu() only after all those pointers have been changed.
967
968 To see how to choose between these two analogies -- of RCU as a
969 reader-writer lock and RCU as a reference counting system -- it is useful
970 to reflect on the scale of the thing being protected.  The reader-writer
971 lock analogy looks at larger multi-part objects such as a linked list
972 and shows how RCU can facilitate concurrency while elements are added
973 to, and removed from, the list.  The reference-count analogy looks at
974 the individual objects and looks at how they can be accessed safely
975 within whatever whole they are a part of.
976
977 .. _8_whatisRCU:
978
979 8.  FULL LIST OF RCU APIs
980 -------------------------
981
982 The RCU APIs are documented in docbook-format header comments in the
983 Linux-kernel source code, but it helps to have a full list of the
984 APIs, since there does not appear to be a way to categorize them
985 in docbook.  Here is the list, by category.
986
987 RCU list traversal::
988
989         list_entry_rcu
990         list_entry_lockless
991         list_first_entry_rcu
992         list_next_rcu
993         list_for_each_entry_rcu
994         list_for_each_entry_continue_rcu
995         list_for_each_entry_from_rcu
996         list_first_or_null_rcu
997         list_next_or_null_rcu
998         hlist_first_rcu
999         hlist_next_rcu
1000         hlist_pprev_rcu
1001         hlist_for_each_entry_rcu
1002         hlist_for_each_entry_rcu_bh
1003         hlist_for_each_entry_from_rcu
1004         hlist_for_each_entry_continue_rcu
1005         hlist_for_each_entry_continue_rcu_bh
1006         hlist_nulls_first_rcu
1007         hlist_nulls_for_each_entry_rcu
1008         hlist_bl_first_rcu
1009         hlist_bl_for_each_entry_rcu
1010
1011 RCU pointer/list update::
1012
1013         rcu_assign_pointer
1014         list_add_rcu
1015         list_add_tail_rcu
1016         list_del_rcu
1017         list_replace_rcu
1018         hlist_add_behind_rcu
1019         hlist_add_before_rcu
1020         hlist_add_head_rcu
1021         hlist_add_tail_rcu
1022         hlist_del_rcu
1023         hlist_del_init_rcu
1024         hlist_replace_rcu
1025         list_splice_init_rcu
1026         list_splice_tail_init_rcu
1027         hlist_nulls_del_init_rcu
1028         hlist_nulls_del_rcu
1029         hlist_nulls_add_head_rcu
1030         hlist_bl_add_head_rcu
1031         hlist_bl_del_init_rcu
1032         hlist_bl_del_rcu
1033         hlist_bl_set_first_rcu
1034
1035 RCU::
1036
1037         Critical sections       Grace period            Barrier
1038
1039         rcu_read_lock           synchronize_net         rcu_barrier
1040         rcu_read_unlock         synchronize_rcu
1041         rcu_dereference         synchronize_rcu_expedited
1042         rcu_read_lock_held      call_rcu
1043         rcu_dereference_check   kfree_rcu
1044         rcu_dereference_protected
1045
1046 bh::
1047
1048         Critical sections       Grace period            Barrier
1049
1050         rcu_read_lock_bh        call_rcu                rcu_barrier
1051         rcu_read_unlock_bh      synchronize_rcu
1052         [local_bh_disable]      synchronize_rcu_expedited
1053         [and friends]
1054         rcu_dereference_bh
1055         rcu_dereference_bh_check
1056         rcu_dereference_bh_protected
1057         rcu_read_lock_bh_held
1058
1059 sched::
1060
1061         Critical sections       Grace period            Barrier
1062
1063         rcu_read_lock_sched     call_rcu                rcu_barrier
1064         rcu_read_unlock_sched   synchronize_rcu
1065         [preempt_disable]       synchronize_rcu_expedited
1066         [and friends]
1067         rcu_read_lock_sched_notrace
1068         rcu_read_unlock_sched_notrace
1069         rcu_dereference_sched
1070         rcu_dereference_sched_check
1071         rcu_dereference_sched_protected
1072         rcu_read_lock_sched_held
1073
1074
1075 RCU-Tasks::
1076
1077         Critical sections       Grace period            Barrier
1078
1079         N/A                     call_rcu_tasks          rcu_barrier_tasks
1080                                 synchronize_rcu_tasks
1081
1082
1083 RCU-Tasks-Rude::
1084
1085         Critical sections       Grace period            Barrier
1086
1087         N/A                     call_rcu_tasks_rude     rcu_barrier_tasks_rude
1088                                 synchronize_rcu_tasks_rude
1089
1090
1091 RCU-Tasks-Trace::
1092
1093         Critical sections       Grace period            Barrier
1094
1095         rcu_read_lock_trace     call_rcu_tasks_trace    rcu_barrier_tasks_trace
1096         rcu_read_unlock_trace   synchronize_rcu_tasks_trace
1097
1098
1099 SRCU::
1100
1101         Critical sections       Grace period            Barrier
1102
1103         srcu_read_lock          call_srcu               srcu_barrier
1104         srcu_read_unlock        synchronize_srcu
1105         srcu_dereference        synchronize_srcu_expedited
1106         srcu_dereference_check
1107         srcu_read_lock_held
1108
1109 SRCU: Initialization/cleanup::
1110
1111         DEFINE_SRCU
1112         DEFINE_STATIC_SRCU
1113         init_srcu_struct
1114         cleanup_srcu_struct
1115
1116 All: lockdep-checked RCU utility APIs::
1117
1118         RCU_LOCKDEP_WARN
1119         rcu_sleep_check
1120         RCU_NONIDLE
1121
1122 All: Unchecked RCU-protected pointer access::
1123
1124         rcu_dereference_raw
1125
1126 All: Unchecked RCU-protected pointer access with dereferencing prohibited::
1127
1128         rcu_access_pointer
1129
1130 See the comment headers in the source code (or the docbook generated
1131 from them) for more information.
1132
1133 However, given that there are no fewer than four families of RCU APIs
1134 in the Linux kernel, how do you choose which one to use?  The following
1135 list can be helpful:
1136
1137 a.      Will readers need to block?  If so, you need SRCU.
1138
1139 b.      Will readers need to block and are you doing tracing, for
1140         example, ftrace or BPF?  If so, you need RCU-tasks,
1141         RCU-tasks-rude, and/or RCU-tasks-trace.
1142
1143 c.      What about the -rt patchset?  If readers would need to block in
1144         an non-rt kernel, you need SRCU.  If readers would block when
1145         acquiring spinlocks in a -rt kernel, but not in a non-rt kernel,
1146         SRCU is not necessary.  (The -rt patchset turns spinlocks into
1147         sleeplocks, hence this distinction.)
1148
1149 d.      Do you need to treat NMI handlers, hardirq handlers,
1150         and code segments with preemption disabled (whether
1151         via preempt_disable(), local_irq_save(), local_bh_disable(),
1152         or some other mechanism) as if they were explicit RCU readers?
1153         If so, RCU-sched readers are the only choice that will work
1154         for you, but since about v4.20 you use can use the vanilla RCU
1155         update primitives.
1156
1157 e.      Do you need RCU grace periods to complete even in the face of
1158         softirq monopolization of one or more of the CPUs?  For example,
1159         is your code subject to network-based denial-of-service attacks?
1160         If so, you should disable softirq across your readers, for
1161         example, by using rcu_read_lock_bh().  Since about v4.20 you
1162         use can use the vanilla RCU update primitives.
1163
1164 f.      Is your workload too update-intensive for normal use of
1165         RCU, but inappropriate for other synchronization mechanisms?
1166         If so, consider SLAB_TYPESAFE_BY_RCU (which was originally
1167         named SLAB_DESTROY_BY_RCU).  But please be careful!
1168
1169 g.      Do you need read-side critical sections that are respected even
1170         on CPUs that are deep in the idle loop, during entry to or exit
1171         from user-mode execution, or on an offlined CPU?  If so, SRCU
1172         and RCU Tasks Trace are the only choices that will work for you,
1173         with SRCU being strongly preferred in almost all cases.
1174
1175 h.      Otherwise, use RCU.
1176
1177 Of course, this all assumes that you have determined that RCU is in fact
1178 the right tool for your job.
1179
1180 .. _9_whatisRCU:
1181
1182 9.  ANSWERS TO QUICK QUIZZES
1183 ----------------------------
1184
1185 Quick Quiz #1:
1186                 Why is this argument naive?  How could a deadlock
1187                 occur when using this algorithm in a real-world Linux
1188                 kernel?  [Referring to the lock-based "toy" RCU
1189                 algorithm.]
1190
1191 Answer:
1192                 Consider the following sequence of events:
1193
1194                 1.      CPU 0 acquires some unrelated lock, call it
1195                         "problematic_lock", disabling irq via
1196                         spin_lock_irqsave().
1197
1198                 2.      CPU 1 enters synchronize_rcu(), write-acquiring
1199                         rcu_gp_mutex.
1200
1201                 3.      CPU 0 enters rcu_read_lock(), but must wait
1202                         because CPU 1 holds rcu_gp_mutex.
1203
1204                 4.      CPU 1 is interrupted, and the irq handler
1205                         attempts to acquire problematic_lock.
1206
1207                 The system is now deadlocked.
1208
1209                 One way to avoid this deadlock is to use an approach like
1210                 that of CONFIG_PREEMPT_RT, where all normal spinlocks
1211                 become blocking locks, and all irq handlers execute in
1212                 the context of special tasks.  In this case, in step 4
1213                 above, the irq handler would block, allowing CPU 1 to
1214                 release rcu_gp_mutex, avoiding the deadlock.
1215
1216                 Even in the absence of deadlock, this RCU implementation
1217                 allows latency to "bleed" from readers to other
1218                 readers through synchronize_rcu().  To see this,
1219                 consider task A in an RCU read-side critical section
1220                 (thus read-holding rcu_gp_mutex), task B blocked
1221                 attempting to write-acquire rcu_gp_mutex, and
1222                 task C blocked in rcu_read_lock() attempting to
1223                 read_acquire rcu_gp_mutex.  Task A's RCU read-side
1224                 latency is holding up task C, albeit indirectly via
1225                 task B.
1226
1227                 Realtime RCU implementations therefore use a counter-based
1228                 approach where tasks in RCU read-side critical sections
1229                 cannot be blocked by tasks executing synchronize_rcu().
1230
1231 :ref:`Back to Quick Quiz #1 <quiz_1>`
1232
1233 Quick Quiz #2:
1234                 Give an example where Classic RCU's read-side
1235                 overhead is **negative**.
1236
1237 Answer:
1238                 Imagine a single-CPU system with a non-CONFIG_PREEMPTION
1239                 kernel where a routing table is used by process-context
1240                 code, but can be updated by irq-context code (for example,
1241                 by an "ICMP REDIRECT" packet).  The usual way of handling
1242                 this would be to have the process-context code disable
1243                 interrupts while searching the routing table.  Use of
1244                 RCU allows such interrupt-disabling to be dispensed with.
1245                 Thus, without RCU, you pay the cost of disabling interrupts,
1246                 and with RCU you don't.
1247
1248                 One can argue that the overhead of RCU in this
1249                 case is negative with respect to the single-CPU
1250                 interrupt-disabling approach.  Others might argue that
1251                 the overhead of RCU is merely zero, and that replacing
1252                 the positive overhead of the interrupt-disabling scheme
1253                 with the zero-overhead RCU scheme does not constitute
1254                 negative overhead.
1255
1256                 In real life, of course, things are more complex.  But
1257                 even the theoretical possibility of negative overhead for
1258                 a synchronization primitive is a bit unexpected.  ;-)
1259
1260 :ref:`Back to Quick Quiz #2 <quiz_2>`
1261
1262 Quick Quiz #3:
1263                 If it is illegal to block in an RCU read-side
1264                 critical section, what the heck do you do in
1265                 CONFIG_PREEMPT_RT, where normal spinlocks can block???
1266
1267 Answer:
1268                 Just as CONFIG_PREEMPT_RT permits preemption of spinlock
1269                 critical sections, it permits preemption of RCU
1270                 read-side critical sections.  It also permits
1271                 spinlocks blocking while in RCU read-side critical
1272                 sections.
1273
1274                 Why the apparent inconsistency?  Because it is
1275                 possible to use priority boosting to keep the RCU
1276                 grace periods short if need be (for example, if running
1277                 short of memory).  In contrast, if blocking waiting
1278                 for (say) network reception, there is no way to know
1279                 what should be boosted.  Especially given that the
1280                 process we need to boost might well be a human being
1281                 who just went out for a pizza or something.  And although
1282                 a computer-operated cattle prod might arouse serious
1283                 interest, it might also provoke serious objections.
1284                 Besides, how does the computer know what pizza parlor
1285                 the human being went to???
1286
1287 :ref:`Back to Quick Quiz #3 <quiz_3>`
1288
1289 ACKNOWLEDGEMENTS
1290
1291 My thanks to the people who helped make this human-readable, including
1292 Jon Walpole, Josh Triplett, Serge Hallyn, Suzanne Wood, and Alan Stern.
1293
1294
1295 For more information, see http://www.rdrop.com/users/paulmck/RCU.