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Modern Embedded Recipes · 103/152

RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period

· Hawk · 4분 읽기

#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

API동작
rcu_read_lockreader 진입 — 사실상 preempt_disable 또는 그보다 가벼움
rcu_dereferenceprotected pointer를 안전하게 읽음
rcu_read_unlockreader 탈출 — quiescent state 신호 가능
rcu_assign_pointerwriter가 새 객체 publish
synchronize_rcu모든 in-flight reader가 끝날 때까지 wait (grace period)
call_rcucallback을 grace period 후 호출 (sleep 안 하고 free)

전형적인 update 흐름입니다.

  1. new = copy + modify
  2. rcu_assign_pointer(global, new)
  3. synchronize_rcu (또는 call_rcu)
  4. free(old)

핵심 보장은 모든 진행 중 reader가 끝난 후에만 옛 객체가 free된다는 점입니다.

RCU의 trade-off는 네 가지로 정리됩니다.

  • reader는 O(1)이고 contention이 0입니다.
  • writer는 grace period 만큼 기다립니다.
  • 한순간 old와 new가 동시에 존재하므로 메모리를 더 씁니다.
  • writer가 빈번하면 RWLock이 더 낫습니다.

#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

패턴reader 1코어reader 8코어 scaling
spinlock100 ns악화 (contention)
rwlock150 ns일부 scaling
RCU10 ns거의 선형

reader가 늘수록 RCU가 압도적입니다. SMP 8코어에서는 보통 50배 이상 차이가 납니다.

writer 비용 비교
spinlock writer 150 ns
rwlock 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_lockrcu_dereference로 reader를 보호합니다.
  • rcu_assign_pointersynchronize_rcu(또는 call_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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Modern Embedded Recipes · 104 of 152

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  74. 74 Timer Wheel 분석 — Hashed·Hierarchical·O(1) Tick
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  76. 76 임베디드 Linux 부팅 흐름 분석 — BootROM·U-Boot·Kernel·init
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  78. 78 Device Tree 실전 — DTS·DTB·Overlay·Phandle 추적
  79. 79 Device Tree Overlay 적용 — Runtime fragment·dtoverlay
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  83. 83 Platform 드라이버 작성 — probe·remove·of_match·DT 바인딩
  84. 84 mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
  85. 85 epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
  86. 86 UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
  87. 87 sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88 IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89 루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90 임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91 메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92 Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93 DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94 Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95 NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96 SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97 ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98 임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99 임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100 임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101 WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102 Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103 Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104 RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105 Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106 Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107 Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108 Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109 ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110 False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111 MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112 임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113 JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114 GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115 Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116 UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117 임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118 인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119 메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120 타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121 통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122 임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123 임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124 FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125 Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126 PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127 AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128 Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129 Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130 Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131 DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132 PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133 Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134 HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135 Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136 OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137 Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138 Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139 NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140 딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141 TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142 TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143 ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144 Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145 NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146 Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147 온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148 Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149 Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150 PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151 QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152 Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX