Documentation/RCU/RTFP.txt

   1 Read the F-ing Papers!
   2
   3
   4 This document describes RCU-related publications, and is followed by
   5 the corresponding bibtex entries.
   6
   7 The first thing resembling RCU was published in 1980, when Kung and Lehman
   8 [Kung80] recommended use of a garbage collector to defer destruction
   9 of nodes in a parallel binary search tree in order to simplify its
  10 implementation.  This works well in environments that have garbage
  11 collectors, but current production garbage collectors incur significant
  12 read-side overhead.
  13
  14 In 1982, Manber and Ladner [Manber82,Manber84] recommended deferring
  15 destruction until all threads running at that time have terminated, again
  16 for a parallel binary search tree.  This approach works well in systems
  17 with short-lived threads, such as the K42 research operating system.
  18 However, Linux has long-lived tasks, so more is needed.
  19
  20 In 1986, Hennessy, Osisek, and Seigh [Hennessy89] introduced passive
  21 serialization, which is an RCU-like mechanism that relies on the presence
  22 of "quiescent states" in the VM/XA hypervisor that are guaranteed not
  23 to be referencing the data structure.  However, this mechanism was not
  24 optimized for modern computer systems, which is not surprising given
  25 that these overheads were not so expensive in the mid-80s.  Nonetheless,
  26 passive serialization appears to be the first deferred-destruction
  27 mechanism to be used in production.  Furthermore, the relevant patent has
  28 lapsed, so this approach may be used in non-GPL software, if desired.
  29 (In contrast, use of RCU is permitted only in software licensed under
  30 GPL.  Sorry!!!)
  31
  32 In 1990, Pugh [Pugh90] noted that explicitly tracking which threads
  33 were reading a given data structure permitted deferred free to operate
  34 in the presence of non-terminating threads.  However, this explicit
  35 tracking imposes significant read-side overhead, which is undesirable
  36 in read-mostly situations.  This algorithm does take pains to avoid
  37 write-side contention and parallelize the other write-side overheads by
  38 providing a fine-grained locking design, however, it would be interesting
  39 to see how much of the performance advantage reported in 1990 remains
  40 in 2004.
  41
  42 At about this same time, Adams [Adams91] described ``chaotic relaxation'',
  43 where the normal barriers between successive iterations of convergent
  44 numerical algorithms are relaxed, so that iteration $n$ might use
  45 data from iteration $n-1$ or even $n-2$.  This introduces error,
  46 which typically slows convergence and thus increases the number of
  47 iterations required.  However, this increase is sometimes more than made
  48 up for by a reduction in the number of expensive barrier operations,
  49 which are otherwise required to synchronize the threads at the end
  50 of each iteration.  Unfortunately, chaotic relaxation requires highly
  51 structured data, such as the matrices used in scientific programs, and
  52 is thus inapplicable to most data structures in operating-system kernels.
  53
  54 In 1993, Jacobson [Jacobson93] verbally described what is perhaps the
  55 simplest deferred-free technique: simply waiting a fixed amount of time
  56 before freeing blocks awaiting deferred free.  Jacobson did not describe
  57 any write-side changes he might have made in this work using SGI's Irix
  58 kernel.  Aju John published a similar technique in 1995 [AjuJohn95].
  59 This works well if there is a well-defined upper bound on the length of
  60 time that reading threads can hold references, as there might well be in
  61 hard real-time systems.  However, if this time is exceeded, perhaps due
  62 to preemption, excessive interrupts, or larger-than-anticipated load,
  63 memory corruption can ensue, with no reasonable means of diagnosis.
  64 Jacobson's technique is therefore inappropriate for use in production
  65 operating-system kernels, except when such kernels can provide hard
  66 real-time response guarantees for all operations.
  67
  68 Also in 1995, Pu et al. [Pu95a] applied a technique similar to that of Pugh's
  69 read-side-tracking to permit replugging of algorithms within a commercial
  70 Unix operating system.  However, this replugging permitted only a single
  71 reader at a time.  The following year, this same group of researchers
  72 extended their technique to allow for multiple readers [Cowan96a].
  73 Their approach requires memory barriers (and thus pipeline stalls),
  74 but reduces memory latency, contention, and locking overheads.
  75
  76 1995 also saw the first publication of DYNIX/ptx's RCU mechanism
  77 [Slingwine95], which was optimized for modern CPU architectures,
  78 and was successfully applied to a number of situations within the
  79 DYNIX/ptx kernel.  The corresponding conference paper appeared in 1998
  80 [McKenney98].
  81
  82 In 1999, the Tornado and K42 groups described their "generations"
  83 mechanism, which quite similar to RCU [Gamsa99].  These operating systems
  84 made pervasive use of RCU in place of "existence locks", which greatly
  85 simplifies locking hierarchies.
  86
  87 2001 saw the first RCU presentation involving Linux [McKenney01a]
  88 at OLS.  The resulting abundance of RCU patches was presented the
  89 following year [McKenney02a], and use of RCU in dcache was first
  90 described that same year [Linder02a].
  91
  92 Also in 2002, Michael [Michael02b,Michael02a] presented techniques
  93 that defer the destruction of data structures to simplify non-blocking
  94 synchronization (wait-free synchronization, lock-free synchronization,
  95 and obstruction-free synchronization are all examples of non-blocking
  96 synchronization).  In particular, this technique eliminates locking,
  97 reduces contention, reduces memory latency for readers, and parallelizes
  98 pipeline stalls and memory latency for writers.  However, these
  99 techniques still impose significant read-side overhead in the form of
 100 memory barriers.  Researchers at Sun worked along similar lines in the
 101 same timeframe [HerlihyLM02,HerlihyLMS03].
 102
 103 In 2003, the K42 group described how RCU could be used to create
 104 hot-pluggable implementations of operating-system functions.  Later that
 105 year saw a paper describing an RCU implementation of System V IPC
 106 [Arcangeli03], and an introduction to RCU in Linux Journal [McKenney03a].
 107
 108 2004 has seen a Linux-Journal article on use of RCU in dcache
 109 [McKenney04a], a performance comparison of locking to RCU on several
 110 different CPUs [McKenney04b], a dissertation describing use of RCU in a
 111 number of operating-system kernels [PaulEdwardMcKenneyPhD], and a paper
 112 describing how to make RCU safe for soft-realtime applications [Sarma04c].
 113
 114
 115 Bibtex Entries
 116
 117 @article{Kung80
 118 ,author="H. T. Kung and Q. Lehman"
 119 ,title="Concurrent Maintenance of Binary Search Trees"
 120 ,Year="1980"
 121 ,Month="September"
 122 ,journal="ACM Transactions on Database Systems"
 123 ,volume="5"
 124 ,number="3"
 125 ,pages="354-382"
 126 }
 127
 128 @techreport{Manber82
 129 ,author="Udi Manber and Richard E. Ladner"
 130 ,title="Concurrency Control in a Dynamic Search Structure"
 131 ,institution="Department of Computer Science, University of Washington"
 132 ,address="Seattle, Washington"
 133 ,year="1982"
 134 ,number="82-01-01"
 135 ,month="January"
 136 ,pages="28"
 137 }
 138
 139 @article{Manber84
 140 ,author="Udi Manber and Richard E. Ladner"
 141 ,title="Concurrency Control in a Dynamic Search Structure"
 142 ,Year="1984"
 143 ,Month="September"
 144 ,journal="ACM Transactions on Database Systems"
 145 ,volume="9"
 146 ,number="3"
 147 ,pages="439-455"
 148 }
 149
 150 @techreport{Hennessy89
 151 ,author="James P. Hennessy and Damian L. Osisek and Joseph W. {Seigh II}"
 152 ,title="Passive Serialization in a Multitasking Environment"
 153 ,institution="US Patent and Trademark Office"
 154 ,address="Washington, DC"
 155 ,year="1989"
 156 ,number="US Patent 4,809,168 (lapsed)"
 157 ,month="February"
 158 ,pages="11"
 159 }
 160
 161 @techreport{Pugh90
 162 ,author="William Pugh"
 163 ,title="Concurrent Maintenance of Skip Lists"
 164 ,institution="Institute of Advanced Computer Science Studies, Department of Computer Science, University of Maryland"
 165 ,address="College Park, Maryland"
 166 ,year="1990"
 167 ,number="CS-TR-2222.1"
 168 ,month="June"
 169 }
 170
 171 @Book{Adams91
 172 ,Author="Gregory R. Adams"
 173 ,title="Concurrent Programming, Principles, and Practices"
 174 ,Publisher="Benjamin Cummins"
 175 ,Year="1991"
 176 }
 177
 178 @unpublished{Jacobson93
 179 ,author="Van Jacobson"
 180 ,title="Avoid Read-Side Locking Via Delayed Free"
 181 ,year="1993"
 182 ,month="September"
 183 ,note="Verbal discussion"
 184 }
 185
 186 @Conference{AjuJohn95
 187 ,Author="Aju John"
 188 ,Title="Dynamic vnodes -- Design and Implementation"
 189 ,Booktitle="{USENIX Winter 1995}"
 190 ,Publisher="USENIX Association"
 191 ,Month="January"
 192 ,Year="1995"
 193 ,pages="11-23"
 194 ,Address="New Orleans, LA"
 195 }
 196
 197 @techreport{Slingwine95
 198 ,author="John D. Slingwine and Paul E. McKenney"
 199 ,title="Apparatus and Method for Achieving Reduced Overhead Mutual
 200 Exclusion and Maintaining Coherency in a Multiprocessor System
 201 Utilizing Execution History and Thread Monitoring"
 202 ,institution="US Patent and Trademark Office"
 203 ,address="Washington, DC"
 204 ,year="1995"
 205 ,number="US Patent 5,442,758 (contributed under GPL)"
 206 ,month="August"
 207 }
 208
 209 @techreport{Slingwine97
 210 ,author="John D. Slingwine and Paul E. McKenney"
 211 ,title="Method for maintaining data coherency using thread
 212 activity summaries in a multicomputer system"
 213 ,institution="US Patent and Trademark Office"
 214 ,address="Washington, DC"
 215 ,year="1997"
 216 ,number="US Patent 5,608,893 (contributed under GPL)"
 217 ,month="March"
 218 }
 219
 220 @techreport{Slingwine98
 221 ,author="John D. Slingwine and Paul E. McKenney"
 222 ,title="Apparatus and method for achieving reduced overhead
 223 mutual exclusion and maintaining coherency in a multiprocessor
 224 system utilizing execution history and thread monitoring"
 225 ,institution="US Patent and Trademark Office"
 226 ,address="Washington, DC"
 227 ,year="1998"
 228 ,number="US Patent 5,727,209 (contributed under GPL)"
 229 ,month="March"
 230 }
 231
 232 @Conference{McKenney98
 233 ,Author="Paul E. McKenney and John D. Slingwine"
 234 ,Title="Read-Copy Update: Using Execution History to Solve Concurrency
 235 Problems"
 236 ,Booktitle="{Parallel and Distributed Computing and Systems}"
 237 ,Month="October"
 238 ,Year="1998"
 239 ,pages="509-518"
 240 ,Address="Las Vegas, NV"
 241 }
 242
 243 @Conference{Gamsa99
 244 ,Author="Ben Gamsa and Orran Krieger and Jonathan Appavoo and Michael Stumm"
 245 ,Title="Tornado: Maximizing Locality and Concurrency in a Shared Memory
 246 Multiprocessor Operating System"
 247 ,Booktitle="{Proceedings of the 3\textsuperscript{rd} Symposium on
 248 Operating System Design and Implementation}"
 249 ,Month="February"
 250 ,Year="1999"
 251 ,pages="87-100"
 252 ,Address="New Orleans, LA"
 253 }
 254
 255 @techreport{Slingwine01
 256 ,author="John D. Slingwine and Paul E. McKenney"
 257 ,title="Apparatus and method for achieving reduced overhead
 258 mutual exclusion and maintaining coherency in a multiprocessor
 259 system utilizing execution history and thread monitoring"
 260 ,institution="US Patent and Trademark Office"
 261 ,address="Washington, DC"
 262 ,year="2001"
 263 ,number="US Patent 5,219,690 (contributed under GPL)"
 264 ,month="April"
 265 }
 266
 267 @Conference{McKenney01a
 268 ,Author="Paul E. McKenney and Jonathan Appavoo and Andi Kleen and
 269 Orran Krieger and Rusty Russell and Dipankar Sarma and Maneesh Soni"
 270 ,Title="Read-Copy Update"
 271 ,Booktitle="{Ottawa Linux Symposium}"
 272 ,Month="July"
 273 ,Year="2001"
 274 ,note="Available:
 275 \url{http://www.linuxsymposium.org/2001/abstracts/readcopy.php}
 276 \url{http://www.rdrop.com/users/paulmck/rclock/rclock_OLS.2001.05.01c.pdf}
 277 [Viewed June 23, 2004]"
 278 annotation="
 279 Described RCU, and presented some patches implementing and using it in
 280 the Linux kernel.
 281 "
 282 }
 283
 284 @Conference{Linder02a
 285 ,Author="Hanna Linder and Dipankar Sarma and Maneesh Soni"
 286 ,Title="Scalability of the Directory Entry Cache"
 287 ,Booktitle="{Ottawa Linux Symposium}"
 288 ,Month="June"
 289 ,Year="2002"
 290 ,pages="289-300"
 291 }
 292
 293 @Conference{McKenney02a
 294 ,Author="Paul E. McKenney and Dipankar Sarma and
 295 Andrea Arcangeli and Andi Kleen and Orran Krieger and Rusty Russell"
 296 ,Title="Read-Copy Update"
 297 ,Booktitle="{Ottawa Linux Symposium}"
 298 ,Month="June"
 299 ,Year="2002"
 300 ,pages="338-367"
 301 ,note="Available:
 302 \url{http://www.linux.org.uk/~ajh/ols2002_proceedings.pdf.gz}
 303 [Viewed June 23, 2004]"
 304 }
 305
 306 @article{Appavoo03a
 307 ,author="J. Appavoo and K. Hui and C. A. N. Soules and R. W. Wisniewski and
 308 D. M. {Da Silva} and O. Krieger and M. A. Auslander and D. J. Edelsohn and
 309 B. Gamsa and G. R. Ganger and P. McKenney and M. Ostrowski and
 310 B. Rosenburg and M. Stumm and J. Xenidis"
 311 ,title="Enabling Autonomic Behavior in Systems Software With Hot Swapping"
 312 ,Year="2003"
 313 ,Month="January"
 314 ,journal="IBM Systems Journal"
 315 ,volume="42"
 316 ,number="1"
 317 ,pages="60-76"
 318 }
 319
 320 @Conference{Arcangeli03
 321 ,Author="Andrea Arcangeli and Mingming Cao and Paul E. McKenney and
 322 Dipankar Sarma"
 323 ,Title="Using Read-Copy Update Techniques for {System V IPC} in the
 324 {Linux} 2.5 Kernel"
 325 ,Booktitle="Proceedings of the 2003 USENIX Annual Technical Conference
 326 (FREENIX Track)"
 327 ,Publisher="USENIX Association"
 328 ,year="2003"
 329 ,month="June"
 330 ,pages="297-310"
 331 }
 332
 333 @article{McKenney03a
 334 ,author="Paul E. McKenney"
 335 ,title="Using {RCU} in the {Linux} 2.5 Kernel"
 336 ,Year="2003"
 337 ,Month="October"
 338 ,journal="Linux Journal"
 339 ,volume="1"
 340 ,number="114"
 341 ,pages="18-26"
 342 }
 343
 344 @article{McKenney04a
 345 ,author="Paul E. McKenney and Dipankar Sarma and Maneesh Soni"
 346 ,title="Scaling dcache with {RCU}"
 347 ,Year="2004"
 348 ,Month="January"
 349 ,journal="Linux Journal"
 350 ,volume="1"
 351 ,number="118"
 352 ,pages="38-46"
 353 }
 354
 355 @Conference{McKenney04b
 356 ,Author="Paul E. McKenney"
 357 ,Title="{RCU} vs. Locking Performance on Different {CPUs}"
 358 ,Booktitle="{linux.conf.au}"
 359 ,Month="January"
 360 ,Year="2004"
 361 ,Address="Adelaide, Australia"
 362 ,note="Available:
 363 \url{http://www.linux.org.au/conf/2004/abstracts.html#90}
 364 \url{http://www.rdrop.com/users/paulmck/rclock/lockperf.2004.01.17a.pdf}
 365 [Viewed June 23, 2004]"
 366 }
 367
 368 @phdthesis{PaulEdwardMcKenneyPhD
 369 ,author="Paul E. McKenney"
 370 ,title="Exploiting Deferred Destruction:
 371 An Analysis of Read-Copy-Update Techniques
 372 in Operating System Kernels"
 373 ,school="OGI School of Science and Engineering at
 374 Oregon Health and Sciences University"
 375 ,year="2004"
 376 }
 377
 378 @Conference{Sarma04c
 379 ,Author="Dipankar Sarma and Paul E. McKenney"
 380 ,Title="Making RCU Safe for Deep Sub-Millisecond Response Realtime Applications"
 381 ,Booktitle="Proceedings of the 2004 USENIX Annual Technical Conference
 382 (FREENIX Track)"
 383 ,Publisher="USENIX Association"
 384 ,year="2004"
 385 ,month="June"
 386 ,pages="182-191"
 387 }