Linux驱动实践:中断处理中的【工作队列】 workqueue 是什么鬼?

别人的经验,我们的阶梯!

大家好,我是道哥,今天我为大伙儿解说的技术知识点是:【中断处理中的下半部分机制-工作队列】。

在刚开始介绍中断处理Shell的时候,曾经贴出下面这张图:

Linux驱动实践:中断处理中的【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Shell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,或者是相消息队列的使用场景互取代的关系。

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shell脚本编程100例函数的使用方式上,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线程的几种状态码操作,来演示一下工作队列(workqueue)的使用方式。

工作队列的特点

工作线程的几种状态队列是Linux操作系shell编程统中,进行中断下半部分处理的重要方式!

从名称上可以猜到:一个工作队列测试手机是否被监控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驱动实践:中断处理中的【工作队列】 workqueue 是什么鬼?

工作队列中有两个重要的结构体:工消息队列是什么作队列(workqueue_struct) 和 工作项(work_struct):

struct workqueue_struct {
    struct list_head        pwqs;           /* WR: all pwqs of this wq */
    struct list_head        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_head entry;
        work_func_t func;   // 指向处理函数
#ifdef CONFIG_LOCKDEP                                                                                   
        struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

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测试抑郁症个取出来测试抑郁程度的问卷处理。

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消息队列的优缺点就创建好的线程。

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shelly然了本质上还是系统资源消耗和执行效率的问题;

为了避免这种情消息队列面试题况,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消息队列中间件列,就是内核默认创建的(incshell是什么意思中文l线程池拒绝策略ude/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_highpri_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_highpri_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;

以上这些消息队列面试题默认工作队列shell翻译的创建代码是(kernel/workqueue.c)线程的几种状态

int __init workqueue_init_early(void)
{
    ...    
    system_wq = alloc_workqueue("events", 0, 0);
    system_highpri_wq = alloc_workqueue("events_highpri", WQ_HIGHPRI, 0);                           
    system_long_wq = alloc_workqueue("events_long", 0, 0);
    system_unbound_wq = alloc_workqueue("events_unbound", WQ_UNBOUND,
                                            WQ_UNBOUND_MAX_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(s线程数越多越好吗chedule_work)给我们使用:

/**
 * 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);
}

当然了,任何事消息队列情有利就有弊!

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。

根据先效率和公平的关系来后到的原shell脚本编程100例则,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,线程是什么意思消息队列的优缺点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

$ cd tmp/linux-4.15/drivers
$ mkdir my_driver_interrupt_wq
$ touch my_driver_interrupt_wq.c
$ touch Makefile

示例代码shell翻译全貌

测试场景是:加载驱动模块之后线程池面试题,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syst消息队列是什么em_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。

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/interrupt.h>
static int irq;					
static char * devname;		
static struct work_struct mywork;	
 // 接收驱动模块加载时传入的参数
module_param(irq, int, 0644);
module_param(devname, charp, 0644);
// 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			
#define MY_DEV_ID	   		1226
// 驱动程序数据结构
struct myirq
{
    int devid;
};
struct myirq mydev  ={ MY_DEV_ID };
#define KBD_DATA_REG        0x60  
#define KBD_STATUS_REG      0x64
#define KBD_SCANCODE_MASK   0x7f
#define KBD_STATUS_MASK     0x80
// 工作项绑定的处理函数
static void mywork_handler(struct work_struct *work)
{
    printk("mywork_handler is called. n");
    // do some other things
}
//中断处理函数
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
{
    struct myirq mydev;
    unsigned char key_code;
    mydev = *(struct myirq*)dev;	
	// 检查设备 id,只有当相等的时候才需要处理
	if (MY_DEV_ID == mydev.devid)
	{
		// 读取键盘扫描码
		key_code = inb(KBD_DATA_REG);
		if (key_code == 0x01)
		{
			printk("ESC key is pressed! n");
			// 初始化工作项
			INIT_WORK(&mywork, mywork_handler);
			// 加入到工作队列 system_wq
        	schedule_work(&mywork);
		}
	}	
	return IRQ_HANDLED;
}
// 驱动模块初始化函数
static int __init myirq_init(void)
{
    printk("myirq_init is called. n");
	// 注册中断处理函数
    if(request_irq(irq, myirq_handler, IRQF_SHARED, devname, &mydev)!=0)
    {
        printk("register irq[%d] handler failed. n", irq);
        return -1;
    }
    printk("register irq[%d] handler success. n", irq);
    return 0;
}
// 驱动模块退出函数
static void __exit myirq_exit(void)
{
    printk("myirq_exit is called. n");
	// 释放中断处理函数
    free_irq(irq, &mydev);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(myirq_init);
module_exit(myirq_exit);

Makefile测试 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

编译、测试

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

检查驱动模块是否加载成功:

$ lsmod | grep my_driver_interrupt_wq
my_driver_interrupt_wq    16384  0

再看一下 dmesg 的输出信息:

$ dmesg
...
[  188.247636] myirq_init is called. 
[  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,按一下键盘上测试抑郁症的 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_handleshell是什么意思中文r 函数。

在这个消息队列函数中,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测试仪列(system_wq)去处理,如下所示:

if (key_code == 0x01)
{
	printk("ESC key is pressed! n");
	INIT_WORK(&mywork, mywork_handler);
	schedule_work(&mywork);
}

因此,当相应的内核线程从这个工作队列(s效率计算公式ystem_wq)中取出工作项(m消息队列的优缺点ywork)来处理的时候,函数 mywork_ha测试手机是否被监控ndshellyler 就会被调用。

现在来看一下 dmesg 的输出信息:

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

可以看到:mywork_handler函数被正确调用了。

消息队列的优缺点美!


—— End ——

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