【原创】Linux中断子系统（四）-Workqueue
背景
Read the fucking source code!--By 鲁迅A picture is worth a thousand words.--By 高尔基
说明：
- Kernel版本：4.14
- ARM64处理器，Contex-A53，双核
- 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Softirq和Tasklet在处理任务时不能睡眠；
来一张概述图：
- 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：
- 先看看关键的数据结构：
work_struct：工作队列调度的最小单位，work item；workqueue_struct：工作队列，work item都挂入到工作队列中；worker：work item的处理者，每个worker对应一个内核线程；worker_pool：worker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；pool_workqueue：充当桥梁纽带的作用，用于连接workqueue和worker_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：
2.3 workqueue
-
内核中工作队列分为两种：
- 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； - 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；
- bound：绑定处理器的工作队列，每个
-
内核默认创建了一些工作队列（用户也可以创建）：
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；system_highpri_mq：高优先级工作队列，以nice值-20来运行；system_long_wq：如果work item执行时间较长，使用本队列；system_unbound_wq：该工作队列的内核线程不绑定到特定的处理器上；system_freezable_wq：该工作队列用于在Suspend时可冻结的work item；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；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workqueue和worker_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：
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_early和workqueue_init。
3.1.1 workqueue_init_early
workqueue子系统早期初始化函数完成的主要工作包括：- 创建
pool_workqueue的SLAB缓存，用于动态分配struct pool_workqueue结构； - 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_pool从worker_pool_idr中分配一个ID号； - 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； - 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；
- 创建
从图中可以看出创建工作队列的接口为：alloc_workqueue，如下图：
alloc_workqueue完成的主要工作包括：- 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； - 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_workqueue，alloc_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； - 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； - 最终将新建好的工作队列添加到全局链表
workqueues中；
- 首先当然是要分配一个
3.1.2 workqueue_init
workqueue子系统第二阶段的初始化：
- 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
以schedule_work接口为例进行分析：
-
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work的worker_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：
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；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；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：
-
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：
- 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； - 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；
- 管理
work的执行函数为process_one_worker：
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
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；
Running->Suspend
- 当
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；
Suspend->Running
- 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_pool的nr_running值；
3.3.2 worker的动态添加和删除
- 动态删除
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；
- 动态添加
- 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！
欢迎关注公众号，不定期分享Linux内核机制文章
作者：LoyenWang
出处：https://www.cnblogs.com/LoyenWang/
公众号：LoyenWang
版权：本文版权归作者和博客园共有
转载：欢迎转载，但未经作者同意，必须保留此段声明；必须在文章中给出原文连接；否则必究法律责任
出处：https://www.cnblogs.com/LoyenWang/
公众号：LoyenWang
版权：本文版权归作者和博客园共有
转载：欢迎转载，但未经作者同意，必须保留此段声明；必须在文章中给出原文连接；否则必究法律责任
