RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
#한 줄 요약
“RCU = reader가 비용 0, writer가 모든 비용을 부담하는 read-mostly 동기화.” 핵심은 grace period입니다. 모든 reader가 한 번씩 quiescent state를 지나야 옛 객체를 free할 수 있습니다.
#어떤 상황에서 쓰나
routing table, config object, kernel module 목록처럼 읽기는 자주, 쓰기는 가끔인 데이터에 RCU가 빛납니다. Reader 쪽은 lock도, atomic도 안 쓰니 contention이 0에 가깝습니다. SMP 환경에서 reader 수가 늘어도 성능이 일정합니다.
리눅스 커널이 RCU를 30년 가까이 운영 중이고, 사용자 공간에서도 liburcu(URCU)로 같은 패턴을 쓸 수 있습니다. 임베디드 Linux에서 routing daemon, telemetry aggregator 같은 read-mostly 자료구조에 적용합니다.
#핵심 개념
| API | 동작 |
|---|---|
rcu_read_lock | reader 진입 — 사실상 preempt_disable 또는 그보다 가벼움 |
rcu_dereference | protected pointer를 안전하게 읽음 |
rcu_read_unlock | reader 탈출 — quiescent state 신호 가능 |
rcu_assign_pointer | writer가 새 객체 publish |
synchronize_rcu | 모든 in-flight reader가 끝날 때까지 wait (grace period) |
call_rcu | callback을 grace period 후 호출 (sleep 안 하고 free) |
전형적인 update 흐름입니다.
new = copy + modifyrcu_assign_pointer(global, new)synchronize_rcu(또는call_rcu)free(old)
핵심 보장은 모든 진행 중 reader가 끝난 후에만 옛 객체가 free된다는 점입니다.
RCU의 trade-off- reader O(1), 0 contention- writer는 grace period 만큼 wait- 메모리 사용량 (한순간 old + new 동시 존재)- writer가 빈번하면 RWLock이 더 나음#코드 / 실제 사용 예
#Linux kernel RCU
struct config *cfg;
void writer(void) { struct config *old, *new;
new = kmalloc(sizeof(*new), GFP_KERNEL); *new = *current_cfg(); new->max_threads = 16;
old = rcu_dereference_protected(cfg, lockdep_is_held(&cfg_mtx)); rcu_assign_pointer(cfg, new); synchronize_rcu(); /* 모든 reader가 끝날 때까지 wait */ kfree(old);}
void reader(void) { struct config *c; rcu_read_lock(); c = rcu_dereference(cfg); process(c); rcu_read_unlock();}reader는 lock도 atomic도 안 씁니다. preemption이 disable되는 정도이므로 cost가 거의 0입니다.
#URCU (User-space RCU)
#include <urcu.h>
struct config *cfg;
void *reader_thread(void *arg) { rcu_register_thread(); for (;;) { rcu_read_lock(); struct config *c = rcu_dereference(cfg); process(c); rcu_read_unlock(); } rcu_unregister_thread();}
void update_config(struct config *new_cfg) { struct config *old = rcu_xchg_pointer(&cfg, new_cfg); synchronize_rcu(); free(old);}
int main(void) { rcu_init(); /* threads ... */}URCU는 liburcu library를 link하면 사용자 공간에서도 RCU semantic을 그대로 씁니다. 임베디드 Linux daemon에 적합합니다.
#call_rcu (비동기 free)
struct foo { struct rcu_head rcu; int data;};
static void foo_free(struct rcu_head *r) { struct foo *f = container_of(r, struct foo, rcu); kfree(f);}
void writer(void) { struct foo *old = rcu_dereference_protected(g, ...); rcu_assign_pointer(g, new); call_rcu(&old->rcu, foo_free); /* sleep 없이 grace period 예약 */}synchronize_rcu는 caller가 sleep합니다. ISR이나 atomic context에서는 call_rcu로 callback을 예약합니다.
#List 변경 (rculist.h)
#include <linux/rculist.h>
struct entry { struct list_head list; int key;};
LIST_HEAD(g_list);
void add_entry(struct entry *e) { spin_lock(&list_lock); list_add_rcu(&e->list, &g_list); spin_unlock(&list_lock);}
void remove_entry(struct entry *e) { spin_lock(&list_lock); list_del_rcu(&e->list); spin_unlock(&list_lock); synchronize_rcu(); kfree(e);}
void scan(void) { struct entry *e; rcu_read_lock(); list_for_each_entry_rcu(e, &g_list, list) { process(e); } rcu_read_unlock();}list 변경은 spinlock으로 writer끼리만 막고, scan은 RCU로 무비용 traverse합니다.
#Read-mostly counter (sharded)
/* per-CPU counter — RCU 변종 */DEFINE_PER_CPU(unsigned long, hits);
void hit(void) { this_cpu_inc(hits);}
unsigned long total(void) { unsigned long s = 0; for_each_possible_cpu(c) s += per_cpu(hits, c); return s;}per-CPU counter는 RCU와 같은 정신입니다. 각 CPU가 자기 자리만 쓰고, 읽을 때만 모읍니다.
#측정 / 성능 비교
| 패턴 | reader 1코어 | reader 8코어 scaling |
|---|---|---|
| spinlock | 100 ns | 악화 (contention) |
| rwlock | 150 ns | 일부 scaling |
| RCU | 10 ns | 거의 선형 |
reader가 늘수록 RCU가 압도적입니다. SMP 8코어에서는 보통 50배 이상 차이가 납니다.
writer 비용 비교spinlock writer 150 nsrwlock writer 수 µs (모든 reader가 끝나야)RCU writer + grace 수 ms (grace period 대기)RCU writer + call_rcu 150 ns (callback 예약)writer는 RCU가 더 비싸므로 read-mostly일 때 의미가 있습니다.
#자주 보는 함정
rcu_read_lock 밖에서 dereference
struct config *c = rcu_dereference(cfg); /* unlock 밖 — UB */rcu_dereference는 반드시 rcu_read_lock 안에서만 호출합니다. 그렇지 않으면 reader가 진행 중인지 RCU가 모릅니다.
read lock 중에 sleep
rcu_read_lock();msleep(10); /* preempt 가능 → grace period 추정 깨짐 */rcu_read_unlock();전통적 RCU는 reader가 sleep하면 안 됩니다. sleep이 필요한 경우 SRCU(Sleepable RCU)를 씁니다.
writer만 보호 안 하고 add/del
list_add_rcu(...); /* spinlock 없음 — writer끼리 race */RCU는 reader와 writer 사이만 보호합니다. 여러 writer는 별도 lock으로 mutual exclusion이 필요합니다.
synchronize_rcu를 hot path에서
for (i = 0; i < N; i++) { new = ...; rcu_assign_pointer(p, new); synchronize_rcu(); /* 매 iteration ms 대기 */}여러 update를 한 번에 묶거나 call_rcu로 비동기 처리합니다.
User-space에서 register 누락
/* URCU thread가 rcu_register_thread 안 부름 */rcu_read_lock(); /* 등록 안 된 thread → assert fail 또는 silent corruption */URCU는 각 thread가 명시적으로 register/unregister해야 합니다.
#정리
- RCU는 reader 비용 0, writer가 grace period를 부담하는 read-mostly 동기화입니다.
rcu_read_lock과rcu_dereference로 reader를 보호합니다.rcu_assign_pointer와synchronize_rcu(또는call_rcu)로 writer가 publish합니다.- 여러 writer는 별도 spinlock이 필요합니다.
- 사용자 공간은 liburcu(URCU)로 같은 패턴을 씁니다.
- Sleep 가능한 reader가 필요하면 SRCU를 씁니다.
- writer가 빈번하면 RWLock이 더 적합합니다.
다음 편은 Hazard Pointer입니다. lock-free 메모리 회수를 다룹니다.
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