1. RCU 概述：基本概念、历史背景与内核地位

1.1 什么是 RCU？

RCU（Read-Copy-Update）是一种同步机制，它允许多个读者（Reader）与一个写者（Writer）并发访问共享数据，而读者几乎不需要任何锁开销。其核心思想是：读者可以无锁读取，写者通过“复制—修改—延迟回收”的方式更新数据，并等待所有正在进行的读操作完成后才释放旧版本。

1.2 历史背景：从 DYNIX/ptx 到 Linux 主线

1.3 RCU 在 Linux 内核中的地位

RCU 已成为 Linux 内核中使用最广泛的同步原语之一，其应用范围覆盖从核心调度器到文件系统、网络协议栈、内存管理等几乎所有子系统。

1.4 RCU 与读写锁的对比

1.5 RCU 的核心数据结构

Linux 内核中 RCU 的实现基于以下关键数据结构：

• rcu_state：全局 RCU 状态，管理宽限期和 CPU 位图。
• rcu_node：树形 RCU 节点，用于 NUMA 感知的宽限期传播。
• rcu_data：每个 CPU 的 RCU 数据，记录该 CPU 的 quiescent state。
• callback list：每个 CPU 上待回收的 RCU 回调函数链表。

// Linux 内核 RCU 核心数据结构（简化版）
struct rcu_state {
    struct rcu_node node[NUM_RCU_NODES];  // 树形节点
    struct rcu_data __percpu *rda;        // 每 CPU 数据
    unsigned long gpnum;                  // 当前宽限期编号
    unsigned long completed;              // 已完成宽限期编号
};

struct rcu_node {
    spinlock_t lock;                      // 节点锁
    unsigned long gpnum;                  // 节点级宽限期编号
    unsigned long completed;              // 节点级已完成编号
    unsigned long qsmask;                 // 子节点 quiescent state 位图
};

struct rcu_data {
    unsigned long gpnum;                  // 该 CPU 看到的宽限期编号
    unsigned long completed;              // 该 CPU 完成的宽限期编号
    struct rcu_head *nxtlist;             // 待处理回调链表
    bool cpu_no_qs;                       // 该 CPU 是否尚未报告 quiescent state
};

1.6 RCU 的变体与选择