Linux 工作队列 workqueue 是什么鬼?

Linux 工作队列 workqueue 是什么鬼?

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Linux中断处理可用下图总结:

Linux 工作队列 workqueue 是什么鬼?

图中描述了中断处理中的下半部分都有哪些机制,以及如何根据实际的业务场景、限制条件来进行选择。

可以看出:这些不同的实现之间,有些是重复的,或者是相互取代的关系。

也正因为此,它们之间的使用方式几乎是大同小异,至少是在API接口函数的使用方式上,从使用这的角度来看,都是非常类似的。

这篇文章,我们就通过实际的代码操作,来演示一下工作队列(workqueue)的使用方式。

工作队列是什么

工作队列是Linux操作系统中,进行中断下半部分处理的重要方式!

从名称上可以猜到:一个工作队列就好像业务层常用的消息队列一样,里面存放着很多的工作项等待着被处理。

Linux 工作队列 workqueue 是什么鬼?

工作队列中有两个重要的结构体:工作队列(workqueue_struct) 和 工作项(work_struct):

  1. struct workqueue_struct {
  2. struct list_head pwqs; /* WR: all pwqs of this wq */
  3. struct list_head list; /* PR: list of all workqueues */
  4. char name[WQ_NAME_LEN]; /* I: workqueue name */
  5. /* hot fields used during command issue, aligned to cacheline */
  6. unsigned int flags ____cacheline_aligned; /* WQ: WQ_* flags */
  7. struct pool_workqueue __percpu *cpu_pwqs; /* I: per-cpu pwqs */
  8. struct pool_workqueue __rcu *numa_pwq_tbl[]; /* PWR: unbound pwqs indexed by node */
  9. };
  1. struct work_struct {
  2. atomic_long_t data;
  3. struct list_head entry;
  4. work_func_t func; // 指向处理函数
  5. #ifdef CONFIG_LOCKDEP
  6. struct lockdep_map lockdep_map;
  7. #endif
  8. };

在内核中,工作队列中的所有工作项,是通过链表串在一起的,并且等待着操作系统中的某个线程挨个取出来处理。

这些线程,可以是由驱动程序通过 kthread_create 创建的线程,也可以是由操作系统预先就创建好的线程。

这里就涉及到一个取舍的问题了。

如果我们的处理函数很简单,那么就没有必要创建一个单独的线程来处理了。

原因有二:

  1. 创建一个内核线程是很耗费资源的,如果函数很简单,很快执行结束之后再关闭线程,太划不来了,得不偿失;
  2. 如果每一个驱动程序编写者都毫无节制地创建内核线程,那么内核中将会存在大量不必要的线程,当然了本质上还是系统资源消耗和执行效率的问题;

为了避免这种情况,于是操作系统就为我们预先创建好一些工作队列和内核线程。

我们只需要把需要处理的工作项,直接添加到这些预先创建好的工作队列中就可以了,它们就会被相应的内核线程取出来处理。

例如下面这些工作队列,就是内核默认创建的(include/linux/workqueue.h):

  1. /*
  2. * System-wide workqueues which are always present.
  3. *
  4. * system_wq is the one used by schedule[_delayed]_work[_on]().
  5. * Multi-CPU multi-threaded. There are users which expect relatively
  6. * short queue flush time. Don't queue works which can run for too
  7. * long.
  8. *
  9. * system_highpri_wq is similar to system_wq but for work items which
  10. * require WQ_HIGHPRI.
  11. *
  12. * system_long_wq is similar to system_wq but may host long running
  13. * works. Queue flushing might take relatively long.
  14. *
  15. * system_unbound_wq is unbound workqueue. Workers are not bound to
  16. * any specific CPU, not concurrency managed, and all queued works are
  17. * executed immediately as long as max_active limit is not reached and
  18. * resources are available.
  19. *
  20. * system_freezable_wq is equivalent to system_wq except that it's
  21. * freezable.
  22. *
  23. * *_power_efficient_wq are inclined towards saving power and converted
  24. * into WQ_UNBOUND variants if 'wq_power_efficient' is enabled; otherwise,
  25. * they are same as their non-power-efficient counterparts – e.g.
  26. * system_power_efficient_wq is identical to system_wq if
  27. * 'wq_power_efficient' is disabled. See WQ_POWER_EFFICIENT for more info.
  28. */
  29. extern struct workqueue_struct *system_wq;
  30. extern struct workqueue_struct *system_highpri_wq;
  31. extern struct workqueue_struct *system_long_wq;
  32. extern struct workqueue_struct *system_unbound_wq;
  33. extern struct workqueue_struct *system_freezable_wq;
  34. extern struct workqueue_struct *system_power_efficient_wq;
  35. extern struct workqueue_struct *system_freezable_power_efficient_wq;

以上这些默认工作队列的创建代码是(kernel/workqueue.c):

  1. int __init workqueue_init_early(void)
  2. {
  3. system_wq = alloc_workqueue("events", 0, 0);
  4. system_highpri_wq = alloc_workqueue("events_highpri", WQ_HIGHPRI, 0);
  5. system_long_wq = alloc_workqueue("events_long", 0, 0);
  6. system_unbound_wq = alloc_workqueue("events_unbound", WQ_UNBOUND,
  7. WQ_UNBOUND_MAX_ACTIVE);
  8. system_freezable_wq = alloc_workqueue("events_freezable",
  9. WQ_FREEZABLE, 0);
  10. system_power_efficient_wq = alloc_workqueue("events_power_efficient",
  11. WQ_POWER_EFFICIENT, 0);
  12. system_freezable_power_efficient_wq = alloc_workqueue("events_freezable_power_efficient",
  13. WQ_FREEZABLE | WQ_POWER_EFFICIENT,
  14. 0);
  15. }

此外,由于工作队列 system_wq 被使用的频率很高,于是内核就封装了一个简单的函数(schedule_work)给我们使用:

  1. /**
  2. * schedule_work – put work task in global workqueue
  3. * @work: job to be done
  4. *
  5. * Returns %false if @work was already on the kernel-global workqueue and
  6. * %true otherwise.
  7. *
  8. * This puts a job in the kernel-global workqueue if it was not already
  9. * queued and leaves it in the same position on the kernel-global
  10. * workqueue otherwise.
  11. */
  12. static inline bool schedule_work(struct work_struct *work){
  13. return queue_work(system_wq, work);
  14. }

当然了,任何事情有利就有弊!

由于内核默认创建的工作队列,是被所有的驱动程序共享的。

如果所有的驱动程序都把等待处理的工作项委托给它们来处理,那么就会导致某个工作队列中过于拥挤。

根据先来后到的原则,工作队列中后加入的工作项,就可能因为前面工作项的处理函数执行的时间太长,从而导致时效性无法保证。

因此,这里存在一个系统平衡的问题。

关于工作队列的基本知识点就介绍到这里,下面来实际操作验证一下。

驱动程序

之前的几篇文章,在驱动程序中测试中断处理的操作流程都是一样的,因此这里就不在操作流程上进行赘述了。

这里直接给出驱动程序的全貌代码,然后查看 dmesg 的输出信息。

创建驱动程序源文件和 Makefile:

  1. $ cd tmp/linux-4.15/drivers
  2. $ mkdir my_driver_interrupt_wq
  3. $ touch my_driver_interrupt_wq.c
  4. $ touch Makefile

示例代码全貌

测试场景是:加载驱动模块之后,如果监测到键盘上的ESC键被按下,那么就往内核默认的工作队列system_wq中增加一个工作项,然后观察该工作项对应的处理函数是否被调用。

  1. #include <linux/kernel.h>
  2. #include <linux/module.h>
  3. #include <linux/interrupt.h>
  4. static int irq;
  5. static char * devname;
  6. static struct work_struct mywork;
  7. // 接收驱动模块加载时传入的参数
  8. module_param(irq, int, 0644);
  9. module_param(devname, charp, 0644);
  10. // 定义驱动程序的 ID,在中断处理函数中用来判断是否需要处理
  11. #define MY_DEV_ID 1226
  12. // 驱动程序数据结构
  13. struct myirq
  14. {
  15. int devid;
  16. };
  17. struct myirq mydev ={ MY_DEV_ID };
  18. #define KBD_DATA_REG 0x60
  19. #define KBD_STATUS_REG 0x64
  20. #define KBD_SCANCODE_MASK 0x7f
  21. #define KBD_STATUS_MASK 0x80
  22. // 工作项绑定的处理函数
  23. static void mywork_handler(struct work_struct *work)
  24. {
  25. printk("mywork_handler is called. n");
  26. // do some other things
  27. }
  28. //中断处理函数
  29. static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
  30. {
  31. struct myirq mydev;
  32. unsigned char key_code;
  33. mydev = *(struct myirq*)dev;
  34. // 检查设备 id,只有当相等的时候才需要处理
  35. if (MY_DEV_ID == mydev.devid)
  36. {
  37. // 读取键盘扫描码
  38. key_code = inb(KBD_DATA_REG);
  39. if (key_code == 0x01)
  40. {
  41. printk("ESC key is pressed! n");
  42. // 初始化工作项
  43. INIT_WORK(&mywork, mywork_handler);
  44. // 加入到工作队列 system_wq
  45. schedule_work(&mywork);
  46. }
  47. }
  48. return IRQ_HANDLED;
  49. }
  50. // 驱动模块初始化函数
  51. static int __init myirq_init(void)
  52. {
  53. printk("myirq_init is called. n");
  54. // 注册中断处理函数
  55. if(request_irq(irq, myirq_handler, IRQF_SHARED, devname, &mydev)!=0)
  56. {
  57. printk("register irq[%d] handler failed. n", irq);
  58. return -1;
  59. }
  60. printk("register irq[%d] handler success. n", irq);
  61. return 0;
  62. }
  63. // 驱动模块退出函数
  64. static void __exit myirq_exit(void)
  65. {
  66. printk("myirq_exit is called. n");
  67. // 释放中断处理函数
  68. free_irq(irq, &mydev);
  69. }
  70. MODULE_LICENSE("GPL");
  71. module_init(myirq_init);
  72. module_exit(myirq_exit);

Makefile 文件

  1. ifneq ($(KERNELRELEASE),)
  2. obj-m := my_driver_interrupt_wq.o
  3. else
  4. KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
  5. PWD := $(shell pwd)
  6. default:
  7. $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
  8. clean:
  9. $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
  10. endif

编译、测试

  1. $ make
  2. $ sudo insmod my_driver_interrupt_wq.ko irq=1 devname=mydev

检查驱动模块是否加载成功:

  1. $ lsmod | grep my_driver_interrupt_wq
  2. my_driver_interrupt_wq 16384 0

再看一下 dmesg 的输出信息:

  1. $ dmesg
  2. [ 188.247636] myirq_init is called.
  3. [ 188.247642] register irq[1] handler success.

说明:驱动程序的初始化函数 myirq_init 被调用了,并且成功注册了 1 号中断的处理程序。

此时,按一下键盘上的 ESC 键。

操作系统在捕获到键盘中断之后,会依次调用此中断的所有中断处理程序,其中就包括我们注册的 myirq_handler 函数。

在这个函数中,当判断出是ESC按键时,就初始化一个工作项(把结构体 work_struct 类型的变量与一个处理函数绑定起来),然后丢给操作系统预先创建好的工作队列(system_wq)去处理,如下所示:

  1. if (key_code == 0x01)
  2. {
  3. printk("ESC key is pressed! n");
  4. INIT_WORK(&mywork, mywork_handler);
  5. schedule_work(&mywork);
  6. }

因此,当相应的内核线程从这个工作队列(system_wq)中取出工作项(mywork)来处理的时候,函数 mywork_handler 就会被调用。

现在来看一下 dmesg 的输出信息:

  1. [ 305.053155] ESC key is pressed!
  2. [ 305.053177] mywork_handler is called.

可以看到:mywork_handler函数被正确调用了。

完美!

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/WDPXOBBAni09UvgV_zxy0g

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