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【原创】Linux中断子系统(四)-Workqueue

开发技术 开发技术 2周前 (06-23) 25次浏览

背景

  • Read the fucking source code! –By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

说明:

  1. Kernel版本:4.14
  2. ARM64处理器,Contex-A53,双核
  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 概述

  • Workqueue工作队列是利用内核线程来异步执行工作任务的通用机制;
  • Workqueue工作队列可以用作中断处理的Bottom-half机制,利用进程上下文来执行中断处理中耗时的任务,因此它允许睡眠,而SoftirqTasklet在处理任务时不能睡眠;

来一张概述图:

【原创】Linux中断子系统(四)-Workqueue

  • 在中断处理过程中,或者其他子系统中,调用workqueue的调度或入队接口后,通过建立好的链接关系图逐级找到合适的worker,最终完成工作任务的执行;

2. 数据结构

2.1 总览

此处应有图:

【原创】Linux中断子系统(四)-Workqueue

  • 先看看关键的数据结构:
    1. work_struct:工作队列调度的最小单位,work item
    2. workqueue_struct:工作队列,work item都挂入到工作队列中;
    3. workerwork item的处理者,每个worker对应一个内核线程;
    4. worker_poolworker池(内核线程池),是一个共享资源池,提供不同的worker来对work item进行处理;
    5. pool_workqueue:充当桥梁纽带的作用,用于连接workqueueworker_pool,建立链接关系;

下边看看细节吧:

2.2 work

struct work_struct用来描述work,初始化一个work并添加到工作队列后,将会将其传递到合适的内核线程来进行处理,它是用于调度的最小单位。

关键字段描述如下:

struct work_struct {
	atomic_long_t data;     //低比特存放状态位,高比特存放worker_pool的ID或者pool_workqueue的指针
	struct list_head entry; //用于添加到其他队列上
	work_func_t func;       //工作任务的处理函数,在内核线程中回调
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
	struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

图片说明下data字段:

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2.3 workqueue

  • 内核中工作队列分为两种:

    1. bound:绑定处理器的工作队列,每个worker创建的内核线程绑定到特定的CPU上运行;
    2. unbound:不绑定处理器的工作队列,创建的时候需要指定WQ_UNBOUND标志,内核线程可以在处理器间迁移;
  • 内核默认创建了一些工作队列(用户也可以创建):

    1. system_mq:如果work item执行时间较短,使用本队列,调用schedule[_delayed]_work[_on]()接口就是添加到本队列中;
    2. system_highpri_mq:高优先级工作队列,以nice值-20来运行;
    3. system_long_wq:如果work item执行时间较长,使用本队列;
    4. system_unbound_wq:该工作队列的内核线程不绑定到特定的处理器上;
    5. system_freezable_wq:该工作队列用于在Suspend时可冻结的work item
    6. system_power_efficient_wq:该工作队列用于节能目的而选择牺牲性能的work item
    7. system_freezable_power_efficient_wq:该工作队列用于节能或Suspend时可冻结目的的work item

struct workqueue_struct关键字段介绍如下:

struct workqueue_struct {
	struct list_head	pwqs;		/* WR: all pwqs of this wq */   //所有的pool_workqueue都添加到本链表中
	struct list_head	list;		/* PR: list of all workqueues */    //用于将工作队列添加到全局链表workqueues中

	struct list_head	maydays;	/* MD: pwqs requesting rescue */    //rescue状态下的pool_workqueue添加到本链表中
	struct worker		*rescuer;	/* I: rescue worker */  //rescuer内核线程,用于处理内存紧张时创建工作线程失败的情况

	struct pool_workqueue	*dfl_pwq;	/* PW: only for unbound wqs */

	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 */     //Per-CPU都创建pool_workqueue
	struct pool_workqueue __rcu *numa_pwq_tbl[]; /* PWR: unbound pwqs indexed by node */    //Per-Node创建pool_workqueue
    ...
};

2.4 worker

  • 每个worker对应一个内核线程,用于对work item的处理;
  • worker根据工作状态,可以添加到worker_pool的空闲链表或忙碌列表中;
  • worker处于空闲状态时并接收到工作处理请求,将唤醒内核线程来处理;
  • 内核线程是在每个worker_pool中由一个初始的空闲工作线程创建的,并根据需要动态创建和销毁;

关键字段描述如下:

struct worker {
	/* on idle list while idle, on busy hash table while busy */
	union {
		struct list_head	entry;	/* L: while idle */     //用于添加到worker_pool的空闲链表中
		struct hlist_node	hentry;	/* L: while busy */ //用于添加到worker_pool的忙碌列表中
	};

	struct work_struct	*current_work;	/* L: work being processed */   //当前正在处理的work
	work_func_t		current_func;	/* L: current_work's fn */                  //当前正在执行的work回调函数
	struct pool_workqueue	*current_pwq; /* L: current_work's pwq */   //指向当前work所属的pool_workqueue

	struct list_head	scheduled;	/* L: scheduled works */    //所有被调度执行的work都将添加到该链表中

	/* 64 bytes boundary on 64bit, 32 on 32bit */

	struct task_struct	*task;		/* I: worker task */    //指向内核线程
	struct worker_pool	*pool;		/* I: the associated pool */    //该worker所属的worker_pool
						/* L: for rescuers */
	struct list_head	node;		/* A: anchored at pool->workers */  //添加到worker_pool->workers链表中
						/* A: runs through worker->node */
    ...
};

2.5 worker_pool

  • worker_pool是一个资源池,管理多个worker,也就是管理多个内核线程;
  • 针对绑定类型的工作队列,worker_pool是Per-CPU创建,每个CPU都有两个worker_pool,对应不同的优先级,nice值分别为0和-20;
  • 针对非绑定类型的工作队列,worker_pool创建后会添加到unbound_pool_hash哈希表中;
  • worker_pool管理一个空闲链表和一个忙碌列表,其中忙碌列表由哈希管理;

关键字段描述如下:

struct worker_pool {
	spinlock_t		lock;		/* the pool lock */
	int			cpu;		/* I: the associated cpu */     //绑定到CPU的workqueue,代表CPU ID
	int			node;		/* I: the associated node ID */ //非绑定类型的workqueue,代表内存Node ID
	int			id;		/* I: pool ID */
	unsigned int		flags;		/* X: flags */

	unsigned long		watchdog_ts;	/* L: watchdog timestamp */

	struct list_head	worklist;	/* L: list of pending works */  //pending状态的work添加到本链表
	int			nr_workers;	/* L: total number of workers */    //worker的数量

	/* nr_idle includes the ones off idle_list for rebinding */
	int			nr_idle;	/* L: currently idle ones */

	struct list_head	idle_list;	/* X: list of idle workers */   //处于IDLE状态的worker添加到本链表
	struct timer_list	idle_timer;	/* L: worker idle timeout */
	struct timer_list	mayday_timer;	/* L: SOS timer for workers */

	/* a workers is either on busy_hash or idle_list, or the manager */
	DECLARE_HASHTABLE(busy_hash, BUSY_WORKER_HASH_ORDER);   //工作状态的worker添加到本哈希表中
						/* L: hash of busy workers */

	/* see manage_workers() for details on the two manager mutexes */
	struct worker		*manager;	/* L: purely informational */
	struct mutex		attach_mutex;	/* attach/detach exclusion */
	struct list_head	workers;	/* A: attached workers */   //worker_pool管理的worker添加到本链表中
	struct completion	*detach_completion; /* all workers detached */

	struct ida		worker_ida;	/* worker IDs for task name */

	struct workqueue_attrs	*attrs;		/* I: worker attributes */
	struct hlist_node	hash_node;	/* PL: unbound_pool_hash node */    //用于添加到unbound_pool_hash中
    ...
} ____cacheline_aligned_in_smp;

2.6 pool_workqueue

  • pool_workqueue充当纽带的作用,用于将workqueueworker_pool关联起来;

关键字段描述如下:

struct pool_workqueue {
	struct worker_pool	*pool;		/* I: the associated pool */    //指向worker_pool
	struct workqueue_struct *wq;		/* I: the owning workqueue */   //指向所属的workqueue

	int			nr_active;	/* L: nr of active works */     //活跃的work数量
	int			max_active;	/* L: max active works */   //活跃的最大work数量
	struct list_head	delayed_works;	/* L: delayed works */      //延迟执行的work挂入本链表
	struct list_head	pwqs_node;	/* WR: node on wq->pwqs */      //用于添加到workqueue链表中
	struct list_head	mayday_node;	/* MD: node on wq->maydays */   //用于添加到workqueue链表中
    ...
} __aligned(1 << WORK_STRUCT_FLAG_BITS);

2.7 小结

再来张图,首尾呼应一下:

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3. 流程分析

3.1 workqueue子系统初始化

  • workqueue子系统的初始化分成两步来完成的:workqueue_init_earlyworkqueue_init

3.1.1 workqueue_init_early

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  • workqueue子系统早期初始化函数完成的主要工作包括:
    1. 创建pool_workqueue的SLAB缓存,用于动态分配struct pool_workqueue结构;
    2. 为每个CPU都分配两个worker_pool,其中的nice值分别为0和HIGHPRI_NICE_LEVEL,并且为每个worker_poolworker_pool_idr中分配一个ID号;
    3. 为unbound工作队列创建默认属性,struct workqueue_attrs属性,主要描述内核线程的nice值,以及cpumask值,分别针对优先级以及允许在哪些CPU上执行;
    4. 为系统默认创建几个工作队列,这几个工作队列的描述在上文的数据结构部分提及过,不再赘述;

从图中可以看出创建工作队列的接口为:alloc_workqueue,如下图:

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  • alloc_workqueue完成的主要工作包括:
    1. 首先当然是要分配一个struct workqueue_struct的数据结构,并且对该结构中的字段进行初始化操作;
    2. 前文提到过workqueue最终需要和worker_pool关联起来,而这个纽带就是pool_workqueuealloc_and_link_pwqs函数就是完成这个功能:1)如果工作队列是绑定到CPU上的,则为每个CPU都分配pool_workqueue并且初始化,通过link_pwq将工作队列与pool_workqueue建立连接;2)如果工作队列不绑定到CPU上,则按内存节点(NUMA,参考之前内存管理的文章)来分配pool_workqueue,调用get_unbound_pool来实现,它会根据wq属性先去查找,如果没有找到相同的就创建一个新的pool_workqueue,并且添加到unbound_pool_hash哈希表中,最后也会调用link_pwq来建立连接;
    3. 创建工作队列时,如果设置了WQ_MEM_RECLAIM标志,则会新建rescuer worker,对应rescuer_thread内核线程。当内存紧张时,新创建worker可能会失败,这时候由rescuer来处理这种情况;
    4. 最终将新建好的工作队列添加到全局链表workqueues中;

3.1.2 workqueue_init

workqueue子系统第二阶段的初始化:

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  • 主要完成的工作是给之前创建好的worker_pool,添加一个初始的worker
  • create_worker函数中,创建的内核线程名字为kworker/XX:YY或者kworker/uXX:YY,其中XX表示worker_pool的编号,YY表示worker的编号,u表示unbound

workqueue子系统初始化完成后,基本就已经将数据结构的关联建立好了,当有work来进行调度的时候,就可以进行处理了。

3.2 work调度

3.2.1 schedule_work

schedule_work接口为例进行分析:

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  • schedule_work默认是将work添加到系统的system_work工作队列中;

  • queue_work_on接口中的操作判断要添加work的标志位,如果已经置位了WORK_STRUCT_PENDING_BIT,表明已经添加到了队列中等待执行了,否则,需要调用__queue_work来进行添加。注意了,这个操作是在关中断的情况下进行的,因为工作队列使用WORK_STRUCT_PENDING_BIT位来同步work的插入和删除操作,设置了这个比特后,然后才能执行work,这个过程可能被中断或抢占打断;

  • workqueue的标志位设置了__WQ_DRAINING,表明工作队列正在销毁,所有的work都要处理完,此时不允许再将work添加到队列中,有一种特殊情况:销毁过程中,执行work时又触发了新的work,也就是所谓的chained work

  • 判断workqueue的类型,如果是bound类型,根据CPU来获取pool_workqueue,如果是unbound类型,通过node号来获取pool_workqueue

  • get_work_pool获取上一次执行workworker_pool,如果本次执行的worker_pool与上次执行的worker_pool不一致,且通过find_worker_executing_work判断work正在某个worker_pool中的worker中执行,考虑到缓存热度,放到该worker执行是更合理的选择,进而根据该worker获取到pool_workqueue

  • 判断pool_workqueue活跃的work数量,少于最大限值则将work加入到pool->worklist中,否则加入到pwq->delayed_works链表中,如果__need_more_worker判断没有worker在执行,则唤醒worker内核线程执行;

  • 总结:

    1. schedule_work完成的工作是将work添加到对应的链表中,而在添加的过程中,首先是需要确定pool_workqueue
    2. pool_workqueue对应一个worker_pool,因此确定了pool_workqueue也就确定了worker_pool,进而可以将work添加到工作链表中;
    3. pool_workqueue的确定分为三种情况:1)bound类型的工作队列,直接根据CPU号获取;2)unbound类型的工作队列,根据node号获取,针对unbound类型工作队列,pool_workqueue的释放是异步执行的,需要判断refcnt的计数值,因此在获取pool_workqueue时可能要多次retry;3)根据缓存热度,优先选择正在被执行的worker_pool

3.2.2 worker_thread

work添加到工作队列后,最终的执行在worker_thread函数中:

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  • 在创建worker时,创建内核线程,执行函数为worker_thread

  • worker_thread在开始执行时,设置标志位PF_WQ_WORKER,调度器在进行调度处理时会对task进行判断,针对workerqueue worker有特殊处理;

  • worker对应的内核线程,在没有处理work的时候是睡眠状态,当被唤醒的时候,跳转到woke_up开始执行;

  • woke_up之后,如果此时worker是需要销毁的,那就进行清理工作并返回。否则,离开IDLE状态,并进入recheck模块执行;

  • recheck部分,首先判断是否需要更多的worker来处理,如果没有任务处理,跳转到sleep地方进行睡眠。有任务需要处理时,会判断是否有空闲内核线程以及是否需要动态创建,再清除掉worker的标志位,然后遍历工作链表,对链表中的每个节点调用process_one_worker来处理;

  • sleep部分比较好理解,没有任务处理时,worker进入空闲状态,并将当前的内核线程设置成睡眠状态,让出CPU;

  • 总结:

    1. 管理worker_pool的内核线程池时,如果有PENDING状态的work,并且发现没有正在运行的工作线程(worker_pool->nr_running == 0),唤醒空闲状态的内核线程,或者动态创建内核线程;
    2. 如果work已经在同一个worker_pool的其他worker中执行,不再对该work进行处理;

work的执行函数为process_one_worker

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  • work可能在同一个CPU上不同的worker中运行,直接退出;
  • 调用worker->current_func(),完成最终work的回调函数执行;

3.3 worker动态管理

3.3.1 worker状态机变换

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  • worker_pool通过nr_running字段来在不同的状态机之间进行切换;
  • worker_pool中有work需要处理时,需要至少保证有一个运行状态的worker,当nr_running大于1时,将多余的worker进入IDLE状态,没有work需要处理时,所有的worker都会进入IDLE状态;
  • 执行work时,如果回调函数阻塞运行,那么会让worker进入睡眠状态,此时调度器会进行判断是否需要唤醒另一个worker
  • IDLE状态的worker都存放在idle_list链表中,如果空闲时间超过了300秒,则会将其进行销毁;
  1. Running->Suspend
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  • worker进入睡眠状态时,如果该worker_pool没有其他的worker处于运行状态,那么是需要唤醒一个空闲的worker来维持并发处理的能力;
  1. Suspend->Running
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  • 睡眠状态可以通过wake_up_worker来进行唤醒处理,最终判断如果该worker不在运行状态,则增加worker_poolnr_running值;

3.3.2 worker的动态添加和删除

  1. 动态删除
    【原创】Linux中断子系统(四)-Workqueue
  • worker_pool初始化时,注册了timer的回调函数,用于定时对空闲链表上的worker进行处理,如果worker太多,且空闲时间太长,超过了5分钟,那么就直接进行销毁处理了;
  1. 动态添加
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  • 内核线程执行worker_thread函数时,如果没有空闲的worker,会调用manage_workers接口来创建更多的worker来处理工作;

参考

Documentation/core-api/workqueue.rst
http://kernel.meizu.com/linux-workqueue.html

洗洗睡了,收工!

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