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中斷處理中的【工作隊(duì)列】 workqueue 是什么鬼?

目錄

· 工作隊(duì)列是什么

· 驅(qū)動(dòng)程序

· 編譯、測(cè)試

別人的經(jīng)驗(yàn),我們的階梯!

大家好,我是道哥,今天我為大伙兒解說(shuō)的技術(shù)知識(shí)點(diǎn)是:【中斷處理中的下半部分機(jī)制-工作隊(duì)列】。

在剛開(kāi)始介紹中斷處理的時(shí)候,曾經(jīng)貼出下面這張圖:

圖中描述了中斷處理中的下半部分都有哪些機(jī)制,以及如何根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)場(chǎng)景、限制條件來(lái)進(jìn)行選擇。

可以看出:這些不同的實(shí)現(xiàn)之間,有些是重復(fù)的,或者是相互取代的關(guān)系。

也正因?yàn)榇耍鼈冎g的使用方式幾乎是大同小異,至少是在API接口函數(shù)的使用方式上,從使用這的角度來(lái)看,都是非常類似的。

這篇文章,我們就通過(guò)實(shí)際的代碼操作,來(lái)演示一下工作隊(duì)列(workqueue)的使用方式。

工作隊(duì)列是什么

工作隊(duì)列是Linux操作系統(tǒng)中,進(jìn)行中斷下半部分處理的重要方式!

從名稱上可以猜到:一個(gè)工作隊(duì)列就好像業(yè)務(wù)層常用的消息隊(duì)列一樣,里面存放著很多的工作項(xiàng)等待著被處理。

工作隊(duì)列中有兩個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體:工作隊(duì)列(workqueue_struct) 和 工作項(xiàng)(work_struct):

struct workqueue_struct {

    struct list_h(yuǎn)ead        pwqs;            WR: all pwqs of this wq

    struct list_h(yuǎn)ead        list;            PR: list of all workqueues
           ...
           char                    name[WQ_NAME_LEN];  I: workqueue name
           ...
           hot fields used during command issue, aligned to cacheline
           unsigned int            flags ____cacheline_aligned;  WQ: WQ_* flags
           struct pool_workqueue __percpu *cpu_pwqs;  I: per-cpu pwqs
           struct pool_workqueue __rcu *numa_pwq_tbl[];  PWR: unbound pwqs indexed by node
      };

struct work_struct {
           atomic_long_t data;
           struct list_h(yuǎn)ead entry;
           work_func_t func;   // 指向處理函數(shù)

#ifdef CONFIG_LOCKDEP                                                                                  
           struct lockdep_map lockdep_map;

#endif

};

在內(nèi)核中,工作隊(duì)列中的所有工作項(xiàng),是通過(guò)鏈表串在一起的,并且等待著操作系統(tǒng)中的某個(gè)線程挨個(gè)取出來(lái)處理。

這些線程,可以是由驅(qū)動(dòng)程序通過(guò) kthread_create 創(chuàng)建的線程,也可以是由操作系統(tǒng)預(yù)先就創(chuàng)建好的線程。

這里就涉及到一個(gè)取舍的問(wèn)題了。

如果我們的處理函數(shù)很簡(jiǎn)單,那么就沒(méi)有必要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的線程來(lái)處理了。

原因有二:

1.創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程是很耗費(fèi)資源的,如果函數(shù)很簡(jiǎn)單,很快執(zhí)行結(jié)束之后再關(guān)閉線程,太劃不來(lái)了,得不償失;

2.如果每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)者都毫無(wú)節(jié)制地創(chuàng)建內(nèi)核線程,那么內(nèi)核中將會(huì)存在大量不必要的線程,當(dāng)然了本質(zhì)上還是系統(tǒng)資源消耗和執(zhí)行效率的問(wèn)題;

為了避免這種情況,于是操作系統(tǒng)就為我們預(yù)先創(chuàng)建好一些工作隊(duì)列和內(nèi)核線程。

我們只需要把需要處理的工作項(xiàng),直接添加到這些預(yù)先創(chuàng)建好的工作隊(duì)列中就可以了,它們就會(huì)被相應(yīng)的內(nèi)核線程取出來(lái)處理。

例如下面這些工作隊(duì)列,就是內(nèi)核默認(rèn)創(chuàng)建的(include/linux/workqueue.h):

* System-wide workqueues which are always present.

* system_wq is the one used by schedule[_delayed]_work[_on]().

* Multi-CPU multi-threaded.  There are users which expect relatively

* short queue flush time.  Don't queue works which can run for too

* long.

* system_h(yuǎn)ighpri_wq is similar to system_wq but for work items which

* require WQ_HIGHPRI.

* system_long_wq is similar to system_wq but may host long running

* works.  Queue flushing might take relatively long.

* system_unbound_wq is unbound workqueue.  Workers are not bound to

* any specific CPU, not concurrency managed, and all queued works are

* executed immediately as long as max_active limit is not reached and

* resources are available.

* system_freezable_wq is equivalent to system_wq except that it's

* freezable.

* *_power_efficient_wq are inclined towards saving power and converted

* into WQ_UNBOUND variants if 'wq_power_efficient' is enabled; otherwise,

* they are same as their non-power-efficient counterparts - e.g.

* system_power_efficient_wq is identical to system_wq if

* 'wq_power_efficient' is disabled.  See WQ_POWER_EFFICIENT for more info.

extern struct workqueue_struct *system_wq;

extern struct workqueue_struct *system_h(yuǎn)ighpri_wq;

extern struct workqueue_struct *system_long_wq;

extern struct workqueue_struct *system_unbound_wq;

extern struct workqueue_struct *system_freezable_wq;

extern struct workqueue_struct *system_power_efficient_wq;

extern struct workqueue_struct *system_freezable_power_efficient_wq;

以上這些默認(rèn)工作隊(duì)列的創(chuàng)建代碼是(kernel/workqueue.c):

int __init workqueue_init_early(void)

    ...    

    system_wq = alloc_workqueue("events", 0, 0);
           system_h(yuǎn)ighpri_wq = alloc_workqueue("events_h(yuǎn)ighpri", WQ_HIGHPRI, 0);                          
           system_long_wq = alloc_workqueue("events_long", 0, 0);
           system_unbound_wq = alloc_workqueue("events_unbound", WQ_UNBOUND,
                                           WQ_UNBOUND_M(jìn)AX_ACTIVE);
           system_freezable_wq = alloc_workqueue("events_freezable",
                                             WQ_FREEZABLE, 0);
           system_power_efficient_wq = alloc_workqueue("events_power_efficient",
                                             WQ_POWER_EFFICIENT, 0);
           system_freezable_power_efficient_wq = alloc_workqueue("events_freezable_power_efficient",
                                             WQ_FREEZABLE | WQ_POWER_EFFICIENT,
                                             0);

     ...

此外,由于工作隊(duì)列 system_wq 被使用的頻率很高,于是內(nèi)核就封裝了一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)(schedule_work)給我們使用:

/**

* schedule_work - put work task in global workqueue

* @work: job to be done

* Returns %false if @work was already on the kernel-global workqueue and

* %true otherwise.

* This puts a job in the kernel-global workqueue if it was not already

* queued and leaves it in the same position on the kernel-global

* workqueue otherwise.

static inline bool schedule_work(struct work_struct *work){   

    return queue_work(system_wq, work);

當(dāng)然了,任何事情有利就有弊!

由于內(nèi)核默認(rèn)創(chuàng)建的工作隊(duì)列,是被所有的驅(qū)動(dòng)程序共享的。

如果所有的驅(qū)動(dòng)程序都把等待處理的工作項(xiàng)委托給它們來(lái)處理,那么就會(huì)導(dǎo)致某個(gè)工作隊(duì)列中過(guò)于擁擠。

根據(jù)先來(lái)后到的原則,工作隊(duì)列中后加入的工作項(xiàng),就可能因?yàn)榍懊婀ぷ黜?xiàng)的處理函數(shù)執(zhí)行的時(shí)間太長(zhǎng),從而導(dǎo)致時(shí)效性無(wú)法保證。

因此,這里存在一個(gè)系統(tǒng)平衡的問(wèn)題。

關(guān)于工作隊(duì)列的基本知識(shí)點(diǎn)就介紹到這里,下面來(lái)實(shí)際操作驗(yàn)證一下。

驅(qū)動(dòng)程序

之前的幾篇文章,在驅(qū)動(dòng)程序中測(cè)試中斷處理的操作流程都是一樣的,因此這里就不在操作流程上進(jìn)行贅述了。

這里直接給出驅(qū)動(dòng)程序的全貌代碼,然后查看 dmesg 的輸出信息。

創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)程序源文件和 Makefile:

$ cd tmp/linux-4.15/drivers

$ mkdir my_driver_interrupt_wq

$ touch my_driver_interrupt_wq.c

$ touch Makefile

示例代碼全貌

測(cè)試場(chǎng)景是:加載驅(qū)動(dòng)模塊之后,如果監(jiān)測(cè)到鍵盤(pán)上的ESC鍵被按下,那么就往內(nèi)核默認(rèn)的工作隊(duì)列system_wq中增加一個(gè)工作項(xiàng),然后觀察該工作項(xiàng)對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)是否被調(diào)用。

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/interrupt.h>

static int irq;

static char * devname;

static struct work_struct mywork;

// 接收驅(qū)動(dòng)模塊加載時(shí)傳入的參數(shù)

module_param(irq, int, 0644);

module_param(devname, charp, 0644);

// 定義驅(qū)動(dòng)程序的 ID,在中斷處理函數(shù)中用來(lái)判斷是否需要處理

#define MY_DEV_ID   1226

// 驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct myirq

  int devid;

};

struct myirq mydev  ={ MY_DEV_ID };

#define KBD_DATA_REG        0x60  

#define KBD_STATUS_REG      0x64

#define KBD_SCANCODE_M(jìn)ASK   0x7f

#define KBD_STATUS_M(jìn)ASK     0x80

// 工作項(xiàng)綁定的處理函數(shù)

static void mywork_h(yuǎn)andler(struct work_struct *work)

printk("mywork_h(yuǎn)andler is called. ");

    // do some other things

//中斷處理函數(shù)

static irqreturn_t myirq_h(yuǎn)andler(int irq, void * dev)

  struct myirq mydev;

  unsigned char key_code;

  mydev = *(struct myirq*)dev;

     // 檢查設(shè)備 id,只有當(dāng)相等的時(shí)候才需要處理

     if (MY_DEV_ID == mydev.devid)

   {

          // 讀取鍵盤(pán)掃描碼

         key_code = inb(KBD_DATA_REG);

         if (key_code == 0x01)

       {

                     printk("ESC key is pressed! ");

                   // 初始化工作項(xiàng)

                    INIT_WORK(&mywork, mywork_h(yuǎn)andler);

                 // 加入到工作隊(duì)列 system_wq

                    schedule_work(&mywork);

          }

    }

    return IRQ_HANDLED;

// 驅(qū)動(dòng)模塊初始化函數(shù)

static int __init myirq_init(void)

       printk("myirq_init is called. ");

          // 注冊(cè)中斷處理函數(shù)

       if(request_irq(irq, myirq_h(yuǎn)andler, IRQF_SHARED, devname, &mydev)。0)
            {
                 printk("register irq[%d] handler failed. ", irq);
                 return -1;
              }
                 printk("register irq[%d] handler success. ", irq);
                 return 0;
        }

// 驅(qū)動(dòng)模塊退出函數(shù)

static void __exit myirq_exit(void)


             printk("myirq_exit is called. ");
                  // 釋放中斷處理函數(shù)
             free_irq(irq, &mydev);

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(myirq_init);

module_exit(myirq_exit);

Makefile 文件

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

          obj-m := my_driver_interrupt_wq.o

else

          KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build

          PWD := $(shell pwd)

default:

         $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

clean:

         $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean

endif

編譯、測(cè)試

$ make

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

檢查驅(qū)動(dòng)模塊是否加載成功:

$ lsmod | grep my_driver_interrupt_wq

my_driver_interrupt_wq    16384  0

再看一下 dmesg 的輸出信息:

$ dmesg

...

[  188.247636] myirq_init is called.

[  188.247642] register irq[1] handler success.

說(shuō)明:驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù) myirq_init 被調(diào)用了,并且成功注冊(cè)了 1 號(hào)中斷的處理程序。

此時(shí),按一下鍵盤(pán)上的 ESC 鍵。

操作系統(tǒng)在捕獲到鍵盤(pán)中斷之后,會(huì)依次調(diào)用此中斷的所有中斷處理程序,其中就包括我們注冊(cè)的 myirq_h(yuǎn)andler 函數(shù)。

在這個(gè)函數(shù)中,當(dāng)判斷出是ESC按鍵時(shí),就初始化一個(gè)工作項(xiàng)(把結(jié)構(gòu)體 work_struct 類型的變量與一個(gè)處理函數(shù)綁定起來(lái)),然后丟給操作系統(tǒng)預(yù)先創(chuàng)建好的工作隊(duì)列(system_wq)去處理,如下所示:

if (key_code == 0x01)

       printk("ESC key is pressed! ");

       INIT_WORK(&mywork, mywork_h(yuǎn)andler);

       schedule_work(&mywork);

因此,當(dāng)相應(yīng)的內(nèi)核線程從這個(gè)工作隊(duì)列(system_wq)中取出工作項(xiàng)(mywork)來(lái)處理的時(shí)候,函數(shù) mywork_h(yuǎn)andler 就會(huì)被調(diào)用。

現(xiàn)在來(lái)看一下 dmesg 的輸出信息:

[  305.053155] ESC key is pressed!

[  305.053177] mywork_h(yuǎn)andler is called.

可以看到:mywork_h(yuǎn)andler函數(shù)被正確調(diào)用了。

完美!

聲明: 本文由入駐維科號(hào)的作者撰寫(xiě),觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表OFweek立場(chǎng)。如有侵權(quán)或其他問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系舉報(bào)。

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