哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++ RCU（Read-Copy Update）的内存管理策略，这玩意儿听起来高大上，其实就是一种并发编程的技巧，让读者（readers）尽可能地快速访问数据，而写者（writers）则在不干扰读者的前提下更新数据。关键就在于如何优雅地管理内存，保证数据的一致性和安全性。
今天主要聚焦两个核心概念：Grace Period和Quiescent State。咱们要搞清楚它们是什么，怎么用，以及为什么要用它们。
RCU 简介：读多写少的救星
首先，简单回顾一下RCU的核心思想。RCU适用于读多写少的场景。想象一下，你有一个巨大的数据结构，比如一个配置表，大部分时间都是在读取，偶尔才会更新。如果每次更新都加锁，那读取效率就会大大降低。RCU就巧妙地解决了这个问题。
RCU的核心原则是：
- 读者（Readers）无锁读取： 读者可以并发地读取数据，不需要任何锁机制。这保证了读取的高效率。
- 写者（Writers）复制更新： 写者在更新数据时，先复制一份原始数据，修改副本，然后通过原子操作（通常是
std::atomic的store操作）将指针指向新的副本。 - 延迟释放旧数据： 旧的数据不能立即释放，因为可能还有读者正在使用它。RCU的关键就在于如何确定旧数据可以安全释放的时机。这就是Grace Period和Quiescent State发挥作用的地方。
Grace Period：优雅的等待
Grace Period，中文可以翻译成“宽限期”或“优雅期”。它是一个时间段，在这个时间段内，所有已存在的读者都必然完成了对旧数据的访问。换句话说，如果一个读者在Grace Period开始之前开始读取数据，那么它必然会在Grace Period结束之前完成读取。
关键点： Grace Period 针对的是已经存在的读者。新来的读者读取的是新数据，不受影响。
如何确定 Grace Period？
确定 Grace Period 的关键在于找到一个“Quiescent State”。
Quiescent State：平静的状态
Quiescent State，中文可以翻译成“静止状态”或“平静状态”。它指的是一个读者（通常是CPU）处于一个安全的状态，在这个状态下，读者不再持有任何对RCU保护的数据结构的引用。换句话说，读者在这个状态下不会访问任何被RCU保护的数据。
Quiescent State 的常见形式：
- 上下文切换（Context Switch）： 当一个线程或进程发生上下文切换时，它必须保存当前的状态。在这个过程中，它不再持有任何对RCU保护的数据结构的引用。这通常是一个非常可靠的Quiescent State。
- 进入用户空间（Entering User Space）： 在内核RCU中，当内核线程返回到用户空间时，通常可以认为它进入了一个Quiescent State。
- 显式调用
synchronize_rcu()(Linux Kernel): 在某些情况下，内核代码可以显式调用synchronize_rcu()函数，这个函数会等待所有CPU至少经历一次Quiescent State。
Grace Period 和 Quiescent State 的关系：
Grace Period 的结束标志是：所有 CPU 都至少经历过一次 Quiescent State。
也就是说，如果我们能够保证所有 CPU 都至少进入一次 Quiescent State，那么我们就可以确定 Grace Period 已经结束，旧数据可以安全释放了。
代码示例：一个简单的 RCU 实现（简化版）
为了更好地理解 Grace Period 和 Quiescent State，我们来看一个简化的 C++ RCU 实现。这个实现简化了内存管理，只关注 RCU 的核心逻辑。
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>
#include <chrono>
// 被 RCU 保护的数据结构
struct Data {
int value;
};
// RCU 管理器
class RCUManager {
public:
RCUManager() : data(new Data{0}), data_ptr(data.get()) {}
// 读取数据
int read() {
Data* current_data_ptr = data_ptr.load(std::memory_order_acquire);
int value = current_data_ptr->value;
return value;
}
// 更新数据
void update(int new_value) {
// 1. 复制数据
std::unique_ptr<Data> new_data(new Data{*data.get()});
new_data->value = new_value;
// 2. 原子更新指针
Data* old_data_ptr = data_ptr.exchange(new_data.get(), std::memory_order_release);
// 3. 加入待释放队列
retire_data(std::unique_ptr<Data>(old_data_ptr)); // 将unique_ptr 移动到 retire_data
new_data.release(); //不再由unique_ptr管理，指针给了data_ptr
// 4. 触发 Grace Period 检测
trigger_grace_period();
}
private:
// 存储当前数据
std::unique_ptr<Data> data;
// 指向当前数据的原子指针
std::atomic<Data*> data_ptr;
// 待释放的数据队列
std::vector<std::unique_ptr<Data>> retired_data;
std::mutex retired_data_mutex;
// 模拟 Quiescent State 检测
std::atomic<int> quiescent_state_counter{0}; // 模拟CPU的Quiescent State计数器
// 模拟 Grace Period 触发
void trigger_grace_period() {
// 这里只是简单地模拟，实际应用中需要更复杂的机制
// 例如，可以利用操作系统提供的上下文切换通知机制
//模拟所有CPU都经历过Quiescent State
quiescent_state_counter.store(num_cpus, std::memory_order_relaxed);
check_grace_period();
}
// 模拟 Quiescent State 检测（每个CPU调用一次）
void quiescent_state() {
quiescent_state_counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed); // 计数器加1
check_grace_period();
}
// 检查 Grace Period 是否结束，并释放旧数据
void check_grace_period() {
// 检查是否所有CPU都经历过Quiescent State
if (quiescent_state_counter.load(std::memory_order_relaxed) >= num_cpus) {
// Grace Period 结束，可以释放旧数据
std::lock_guard<std::mutex> lock(retired_data_mutex);
retired_data.clear(); // 释放所有旧数据
quiescent_state_counter.store(0, std::memory_order_relaxed); // 重置计数器
}
}
void retire_data(std::unique_ptr<Data> data_to_retire) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(retired_data_mutex);
retired_data.push_back(std::move(data_to_retire));
}
const int num_cpus = 4; // 假设有4个CPU
};
int main() {
RCUManager rcu_manager;
// 启动多个读者线程
std::vector<std::thread> reader_threads;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
reader_threads.emplace_back([&rcu_manager]() {
for (int j = 0; j < 10; ++j) {
std::cout << "Reader: " << rcu_manager.read() << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
}
});
}
// 启动一个写者线程
std::thread writer_thread([&rcu_manager]() {
for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
rcu_manager.update(i * 10);
std::cout << "Writer: Updated to " << i * 10 << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}
});
// 等待所有线程结束
for (auto& thread : reader_threads) {
thread.join();
}
writer_thread.join();
return 0;
}代码解释：
Data结构体： 简单的存储整数值的数据结构。RCUManager类：data：当前数据的std::unique_ptr。data_ptr：指向当前数据的原子指针std::atomic<Data*>。retired_data：一个vector，存储待释放的旧数据的unique_ptr。read()：读取数据的函数，使用std::memory_order_acquire保证读取到最新的数据。update()：更新数据的函数，先复制数据，然后使用std::memory_order_release原子更新指针。trigger_grace_period()：模拟 Grace Period 的触发，这里只是简单地假设所有 CPU 都经历过 Quiescent State。实际应用中，需要更复杂的机制，例如，可以利用操作系统提供的上下文切换通知机制。quiescent_state()：模拟 CPU 进入 Quiescent State。check_grace_period()：检查 Grace Period 是否结束，如果结束，则释放旧数据。retired_data和retired_data_mutex：用于保护待释放的数据队列的互斥锁。retire_data(): 将待释放的data加入队列
main()函数： 创建一个RCUManager实例，启动多个读者线程和一个写者线程。
这个例子只是一个简化的演示，有很多问题需要考虑：
- 内存管理： 这个例子使用
std::unique_ptr简化了内存管理，但在实际应用中，可能需要使用自定义的内存分配器，以避免频繁的内存分配和释放。 - Quiescent State 检测： 这个例子只是简单地模拟了 Quiescent State 检测，在实际应用中，需要使用操作系统提供的机制来检测 Quiescent State。
- 错误处理： 这个例子没有进行任何错误处理，在实际应用中，需要考虑各种错误情况。
实际应用中的挑战：
- 确定 Quiescent State： 这是 RCU 实现中最困难的部分。不同的操作系统和硬件平台有不同的 Quiescent State 检测机制。
- 性能开销： RCU 引入了一些额外的开销，例如内存复制和原子操作。需要仔细评估这些开销，并根据实际情况进行优化。
- 死锁风险： 在复杂的并发环境中，RCU 也可能导致死锁。需要仔细设计 RCU 的使用方式，避免死锁。
更复杂的 RCU 实现：Linux Kernel RCU
Linux Kernel RCU 是一个非常成熟和复杂的 RCU 实现。它使用了多种技术来提高性能和可靠性，例如：
- 分层 RCU（Hierarchical RCU）： 将 RCU 域分成多个层次，以减少 Grace Period 的延迟。
- 批量 Grace Period 检测： 批量处理多个 Grace Period，以减少开销。
- callback机制: 在Grace Period结束后，执行callback函数，释放旧数据.
表格总结：
| 特性 | Grace Period | Quiescent State |
|---|---|---|
| 定义 | 所有已存在的读者完成对旧数据访问的时间段。 | 读者不再持有任何对 RCU 保护的数据结构的引用。 |
| 作用 | 确保旧数据可以安全释放。 | 是 Grace Period 结束的标志。 |
| 检测方式 | 依赖 Quiescent State 检测。 | 上下文切换，进入用户空间，显式调用 synchronize_rcu()。 |
| 目标读者 | 已经存在的读者。 | CPU 或线程。 |
总结：
RCU 是一种强大的并发编程技术，可以有效地提高读多写少场景下的性能。Grace Period 和 Quiescent State 是 RCU 的核心概念，理解它们对于正确使用 RCU 至关重要。虽然 RCU 的实现比较复杂，但掌握了其核心思想，就可以在适当的场景下使用 RCU 来优化你的程序。
希望今天的讲解能帮助大家更好地理解 C++ RCU 的内存管理策略。谢谢大家！