深入讲解Linux中断子系统--Workqueue

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：

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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；
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；

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；

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；

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；