2. RCU 核心 API：语义与使用规范

RCU（Read-Copy-Update）同步机制的核心在于其轻量级的读侧与高效的写侧配合。本章深入剖析五大核心 API 的语义、使用规范及常见陷阱，帮助你在内核工程中正确运用 RCU。

2.1 RCU 读侧：rcu_read_lock / rcu_read_unlock

读侧临界区由 rcu_read_lock() 和 rcu_read_unlock() 界定。在这对调用之间，读者可以安全地通过 rcu_dereference() 访问被 RCU 保护的数据结构。

• 语义：标记一个 RCU 读侧临界区。在此期间，禁止抢占（非抢占内核）或允许抢占但禁止阻塞（可抢占内核）。
• 核心规则：临界区内不允许调用可能导致睡眠的函数（如 kmalloc(GFP_KERNEL)、mutex_lock、copy_to_user）。
• 嵌套：允许嵌套使用，但必须严格配对。

// 典型读侧模式
rcu_read_lock();
ptr = rcu_dereference(global_ptr);
if (ptr)
    do_something(ptr->data);
rcu_read_unlock();

2.2 RCU 写侧：synchronize_rcu

synchronize_rcu() 是写侧最常用的同步原语，用于等待所有正在进行的 RCU 读侧临界区完成。

• 语义：阻塞调用者，直到所有在调用时刻之前已开始的 RCU 读侧临界区都已完成。
• 使用场景：在释放被 RCU 保护的内存之前，必须调用 synchronize_rcu() 以确保没有读者仍在访问旧数据。
• 性能代价：这是一个阻塞调用，可能休眠数毫秒（取决于 CPU 数量和读侧临界区长度）。

// 写侧更新与回收模式
old = rcu_dereference_protected(global_ptr, lockdep_is_held(&update_lock));
new = alloc_new_data();
rcu_assign_pointer(global_ptr, new);
synchronize_rcu();   // 等待所有读者离开旧指针
kfree(old);          // 安全释放

2.3 异步回收：call_rcu

当写侧不能阻塞时，call_rcu() 提供异步回调机制，将回收操作推迟到所有读者完成之后。

• 语义：注册一个回调函数，在未来的某个 RCU 宽限期（grace period）结束后被调用。
• 使用场景：中断上下文、高吞吐路径、或任何不允许睡眠的写侧代码。
• 回调执行环境：回调在软中断（softirq）上下文中执行，不能睡眠。

// 异步回收示例
struct rcu_head my_rcu;

void my_callback(struct rcu_head *head) {
    struct my_data *p = container_of(head, struct my_data, rcu);
    kfree(p);  // 在软中断中执行
}

// 更新路径
old = rcu_dereference_protected(gp, 1);
new = alloc_new();
rcu_assign_pointer(gp, new);
call_rcu(&old->rcu, my_callback);  // 不阻塞

2.4 安全解引用：rcu_dereference

rcu_dereference() 是读者访问 RCU 保护指针的唯一合法入口。它确保在读取指针时，编译器不会进行重排序优化，且硬件能观察到一致的值。

• 语义：返回被 RCU 保护的指针的值，并插入必要的内存屏障（memory barrier）和编译器屏障。
• 变体：rcu_dereference_protected() 用于写侧已知持有锁的场景；rcu_dereference_check() 用于附加条件检查。
• 规范：每次解引用 RCU 指针都必须使用此宏，否则可能导致读取到未完成更新的中间状态。

// 正确用法
rcu_read_lock();
p = rcu_dereference(gp);
if (p)
    val = p->field;  // 安全
rcu_read_unlock();

// 错误用法（可能导致崩溃）
rcu_read_lock();
p = gp;  // 缺少 rcu_dereference！
if (p)
    val = p->field;  // 可能读到垃圾值
rcu_read_unlock();

2.5 原子更新：rcu_assign_pointer

rcu_assign_pointer() 是写侧更新 RCU 保护指针的标准方式。它确保新指针的赋值操作对读者是原子的，并插入必要的写屏障。

• 语义：将新值安全地赋值给 RCU 指针，保证所有在此之前的内存写入（如新数据结构的初始化）对后续的读者可见。
• 配对使用：写侧用 rcu_assign_pointer 发布新指针，读侧用 rcu_dereference 获取。
• 零开销：在大多数架构上，如果指针赋值本身就是原子的，此宏仅充当编译器屏障。

// 写侧发布模式
struct my_data *new, *old;

new = kmalloc(sizeof(*new), GFP_KERNEL);
new->field = 42;                    // 初始化数据
smp_wmb();                          // 确保初始化完成
rcu_assign_pointer(gp, new);        // 发布指针

// 等价于：smp_store_release(&gp, new);

2.6 API 协作流程

下图展示了 RCU 读侧与写侧 API 的完整协作流程，以及宽限期（Grace Period）的概念。

2.7 使用规范与常见陷阱

2.8 总结：API 选择决策树

在实际工程中，根据上下文选择合适的 RCU API 至关重要。以下决策树帮助你快速判断：