4. RCU 数据结构：rcu_head 结构体、rcu_node 树、全局控制块、per-CPU 数据结构

RCU 机制的实现依赖于一套精心设计的内核数据结构。这些数据结构共同构成了 RCU 的“骨架”，负责管理回调、跟踪宽限期状态以及协调多核间的同步。理解这些结构是深入掌握 RCU 工作原理的关键。

4.1 核心回调结构体：rcu_head

rcu_head 是 RCU 机制中最基础的数据结构，它被嵌入到需要被 RCU 保护的资源（如链表节点）中。当写者需要延迟释放一个被 RCU 保护的旧数据对象时，会将一个 rcu_head 实例挂入回调链表，等待宽限期结束后由内核自动调用其回调函数。

// 内核源码 include/linux/types.h
struct rcu_head {
    struct rcu_head *next;
    void (*func)(struct rcu_head *head);
};

4.2 宽限期管理树：rcu_node

为了高效管理大规模 SMP 系统中的宽限期（Grace Period），RCU 引入了一棵 层次化的 rcu_node 树。这棵树将 CPU 分组，通过自底向上的方式追踪每个 CPU 是否已经度过了一个静止状态（Quiescent State），从而避免全局扫描，显著提升可扩展性。

rcu_node 树的关键成员包括：

• lock：保护本节点及子节点状态的 spinlock。
• qsmask：位掩码，标记哪些子节点（或 CPU）尚未报告静止状态。
• gpnum：本节点观察到的当前宽限期编号。
• completed：本节点观察到的已完成的宽限期编号。
• level：节点在树中的层级（根节点为 0）。
• parent：指向父节点的指针。

4.3 全局控制块：rcu_state

rcu_state 是 RCU 子系统的全局控制结构体，每个 RCU 变体（如 rcu_sched、rcu_bh）都拥有一个独立的 rcu_state 实例。它维护了宽限期的全局状态、根节点指针以及各种统计信息。

4.4 per-CPU 数据结构

为了减少锁竞争和缓存行 bouncing，RCU 大量使用 per-CPU 数据结构。每个 CPU 都维护自己独立的回调链表和状态信息，从而允许读者在本地 CPU 上无锁地执行操作。

主要的 per-CPU 数据结构包括：

• rcu_data：每个 CPU 一个，包含：
  • mynode：指向该 CPU 所属的 rcu_node 叶子节点。
  • gpnum / completed：该 CPU 感知到的宽限期编号。
  • nxtlist：待处理回调链表头。
  • qsmask：该 CPU 的静止状态掩码。
  • ticks_this_gp：当前宽限期内的时钟 tick 计数。
• rcu_dynticks：用于跟踪 CPU 是否处于空闲状态（dyntick-idle），这对于判断 CPU 是否可能处于静止状态至关重要。

4.5 数据结构协同工作流程

当写者调用 synchronize_rcu() 或 call_rcu() 时，这些数据结构按以下步骤协同：

1. 发起宽限期：rcu_state 递增 gpnum，并通过 rcu_node 树向所有叶子节点广播新的宽限期开始。
2. 注册回调：call_rcu() 将 rcu_head 挂入当前 CPU 的 rcu_data.nxtlist。
3. 报告静止状态：每个 CPU 在上下文切换或 idle 时，更新自己的 rcu_data 状态，并通过 rcu_node 树向上报告。
4. 宽限期结束：当根 rcu_node 检测到所有 CPU 都已报告静止状态后，rcu_state.completed 更新，并触发回调执行。
5. 执行回调：每个 CPU 遍历自己的 rcu_data.nxtlist，调用 rcu_head.func 完成资源释放。