目录
1 引入
2 内核函数
2.1 定义work
2.2 使用 work：schedule_work
2.3 其他函数
3 代码
3.1 gpio_key_drv.c
4 内部机制
4.1 Linux 2.x 的工作队列创建过程
4.2 Linux 4.x 的工作队列创建过程
1 引入
前面讲的定时器、下半部 tasklet，它们都是在中断上下文中执行，它们无法休眠。当要处理更复杂的事情时，往往更耗时。这些更耗时的工作放在定时器或是下半部中，会使得系统很卡；并且循环等待某件事情完成也太浪费 CPU 资源了。
如果使用线程来处理这些耗时的工作，那就可以解决系统卡顿的问题：因为线程可以休眠。
在内核中，我们并不需要自己去创建线程，可以使用“工作队列 ”(workqueue)。内核初始化工作队列是，就为它创建了内核线程。以后我们要使用“工作队列”，只需要把“工作”放入“工作队列中”，对应的内核线程就会取出“工作”，执行里面的函数。
在 2.xx 的内核中，工作队列的内部机制比较简单；在现在 4.x 的内核中，工作队列的内部机制做得复杂无比，但是用法是一样的。
工作队列的应用场合：要做的事情比较耗时，甚至可能需要休眠，那么可以使用工作队列。
缺点：多个工作(函数)是在某个内核线程中依序执行的，前面函数执行很慢，就会影响到后面的函数。
在多 CPU 的系统下，一个工作队列可以有多个内核线程，可以在一定程度上缓解这个问题。
2 内核函数
内核线程、工作队列(workqueue)都由内核创建了，我们只是使用。使用的核心是一个 work_struct 结构体，定义如下：
使用工作队列时，步骤如下：
第1步 构造一个 work_struct 结构体，里面有函数；
第2步 把这个 work_struct 结构体放入工作队列，内核线程就会运行 work 中的函数。
2.1 定义work
参考内核头文件：include\linux\workqueue.h
#define DECLARE_WORK(n, f) \
struct work_struct n = __WORK_INITIALIZER(n, f)
#define DECLARE_DELAYED_WORK(n, f) \
struct delayed_work n = __DELAYED_WORK_INITIALIZER(n, f, 0) ⚫ 第 1 个宏是用来定义一个 work_struct 结构体，要指定它的函数。
⚫ 第 2 个宏用来定义一个 delayed_work 结构体，也要指定它的函数。所以“delayed”，意思就是说要让它运行时，可以指定：某段时间之后你再执行。
如果要在代码中初始化 work_struct 结构体，可以使用下面的宏：
#define INIT_WORK(_work, _func) 2.2 使用 work：schedule_work
调用 schedule_work 时，就会把 work_struct 结构体放入队列中，并唤醒对应的内核线程。内核线程就会从队列里把 work_struct 结构体取出来，执行里面的函数。
2.3 其他函数
3 代码
3.1 gpio_key_drv.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/workqueue.h>
#include <asm/current.h>
struct gpio_key{
int gpio;
struct gpio_desc *gpiod;
int flag;
int irq;
struct timer_list key_timer;
struct tasklet_struct tasklet;
struct work_struct work;
} ;
static struct gpio_key *gpio_keys_100ask;
/* 主设备号 */
static int major = 0;
static struct class *gpio_key_class;
/* 环形缓冲区 */
#define BUF_LEN 128
static int g_keys[BUF_LEN];
static int r, w;
struct fasync_struct *button_fasync;
#define NEXT_POS(x) ((x+1) % BUF_LEN)
static int is_key_buf_empty(void)
{
return (r == w);
}
static int is_key_buf_full(void)
{
return (r == NEXT_POS(w));
}
static void put_key(int key)
{
if (!is_key_buf_full())
{
g_keys[w] = key;
w = NEXT_POS(w);
}
}
static int get_key(void)
{
int key = 0;
if (!is_key_buf_empty())
{
key = g_keys[r];
r = NEXT_POS(r);
}
return key;
}
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);
static void key_timer_expire(unsigned long data)
{
/* data ==> gpio */
struct gpio_key *gpio_key = data;
int val;
int key;
val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);
printk("key_timer_expire key %d %d\n", gpio_key->gpio, val);
key = (gpio_key->gpio << 8) | val;
put_key(key);
wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);
}
static void key_tasklet_func(unsigned long data)
{
/* data ==> gpio */
struct gpio_key *gpio_key = data;
int val;
int key;
val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);
printk("key_tasklet_func key %d %d\n", gpio_key->gpio, val);
}
static void key_work_func(struct work_struct *work)
{
struct gpio_key *gpio_key = container_of(work, struct gpio_key, work);
int val;
val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);
printk("key_work_func: the process is %s pid %d\n",current->comm, current->pid);
printk("key_work_func key %d %d\n", gpio_key->gpio, val);
}
/* 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体 */
static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
//printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
int err;
int key;
if (is_key_buf_empty() && (file->f_flags & O_NONBLOCK))
return -EAGAIN;
wait_event_interruptible(gpio_key_wait, !is_key_buf_empty());
key = get_key();
err = copy_to_user(buf, &key, 4);
return 4;
}
static unsigned int gpio_key_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
{
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
poll_wait(fp, &gpio_key_wait, wait);
return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM;
}
static int gpio_key_drv_fasync(int fd, struct file *file, int on)
{
if (fasync_helper(fd, file, on, &button_fasync) >= 0)
return 0;
else
return -EIO;
}
/* 定义自己的file_operations结构体 */
static struct file_operations gpio_key_drv = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = gpio_key_drv_read,
.poll = gpio_key_drv_poll,
.fasync = gpio_key_drv_fasync,
};
static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{
struct gpio_key *gpio_key = dev_id;
//printk("gpio_key_isr key %d irq happened\n", gpio_key->gpio);
tasklet_schedule(&gpio_key->tasklet);
mod_timer(&gpio_key->key_timer, jiffies + HZ/50);
schedule_work(&gpio_key->work);
return IRQ_HANDLED;
}
/* 1. 从platform_device获得GPIO
* 2. gpio=>irq
* 3. request_irq
*/
static int gpio_key_probe(struct platform_device *pdev)
{
int err;
struct device_node *node = pdev->dev.of_node;
int count;
int i;
enum of_gpio_flags flag;
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
count = of_gpio_count(node);
if (!count)
{
printk("%s %s line %d, there isn't any gpio available\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
return -1;
}
gpio_keys_100ask = kzalloc(sizeof(struct gpio_key) * count, GFP_KERNEL);
for (i = 0; i < count; i++)
{
gpio_keys_100ask[i].gpio = of_get_gpio_flags(node, i, &flag);
if (gpio_keys_100ask[i].gpio < 0)
{
printk("%s %s line %d, of_get_gpio_flags fail\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
return -1;
}
gpio_keys_100ask[i].gpiod = gpio_to_desc(gpio_keys_100ask[i].gpio);
gpio_keys_100ask[i].flag = flag & OF_GPIO_ACTIVE_LOW;
gpio_keys_100ask[i].irq = gpio_to_irq(gpio_keys_100ask[i].gpio);
setup_timer(&gpio_keys_100ask[i].key_timer, key_timer_expire, &gpio_keys_100ask[i]);
gpio_keys_100ask[i].key_timer.expires = ~0;
add_timer(&gpio_keys_100ask[i].key_timer);
tasklet_init(&gpio_keys_100ask[i].tasklet, key_tasklet_func, &gpio_keys_100ask[i]);
INIT_WORK(&gpio_keys_100ask[i].work, key_work_func);
}
for (i = 0; i < count; i++)
{
err = request_irq(gpio_keys_100ask[i].irq, gpio_key_isr, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "100ask_gpio_key", &gpio_keys_100ask[i]);
}
/* 注册file_operations */
major = register_chrdev(0, "100ask_gpio_key", &gpio_key_drv); /* /dev/gpio_key */
gpio_key_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_gpio_key_class");
if (IS_ERR(gpio_key_class)) {
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
unregister_chrdev(major, "100ask_gpio_key");
return PTR_ERR(gpio_key_class);
}
device_create(gpio_key_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "100ask_gpio_key"); /* /dev/100ask_gpio_key */
return 0;
}
static int gpio_key_remove(struct platform_device *pdev)
{
//int err;
struct device_node *node = pdev->dev.of_node;
int count;
int i;
device_destroy(gpio_key_class, MKDEV(major, 0));
class_destroy(gpio_key_class);
unregister_chrdev(major, "100ask_gpio_key");
count = of_gpio_count(node);
for (i = 0; i < count; i++)
{
free_irq(gpio_keys_100ask[i].irq, &gpio_keys_100ask[i]);
del_timer(&gpio_keys_100ask[i].key_timer);
tasklet_kill(&gpio_keys_100ask[i].tasklet);
}
kfree(gpio_keys_100ask);
return 0;
}
static const struct of_device_id ask100_keys[] = {
{ .compatible = "100ask,gpio_key" },
{ },
};
/* 1. 定义platform_driver */
static struct platform_driver gpio_keys_driver = {
.probe = gpio_key_probe,
.remove = gpio_key_remove,
.driver = {
.name = "100ask_gpio_key",
.of_match_table = ask100_keys,
},
};
/* 2. 在入口函数注册platform_driver */
static int __init gpio_key_init(void)
{
int err;
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
err = platform_driver_register(&gpio_keys_driver);
return err;
}
/* 3. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数
* 卸载platform_driver
*/
static void __exit gpio_key_exit(void)
{
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
platform_driver_unregister(&gpio_keys_driver);
}
/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点 */
module_init(gpio_key_init);
module_exit(gpio_key_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
3.2 button_test.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>
static int fd;
/*
* ./button_test /dev/100ask_button0
*
*/
int main(int argc, char **argv)
{
int val;
struct pollfd fds[1];
int timeout_ms = 5000;
int ret;
int flags;
int i;
/* 1. 判断参数 */
if (argc != 2)
{
printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
return -1;
}
/* 2. 打开文件 */
fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);
if (fd == -1)
{
printf("can not open file %s\n", argv[1]);
return -1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
if (read(fd, &val, 4) == 4)
printf("get button: 0x%x\n", val);
else
printf("get button: -1\n");
}
flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);
while (1)
{
if (read(fd, &val, 4) == 4)
printf("get button: 0x%x\n", val);
else
printf("while get button: -1\n");
}
close(fd);
return 0;
}
4 内部机制
在 2.xx 版本的 Linux 内核中，创建 workqueue 时就会同时创建内核线程；
在 4.xx 版本的 Linux 内核中，内核线程和 workqueue 是分开创建的，比较复杂。
4.1 Linux 2.x 的工作队列创建过程
代码在 kernel\workqueue.c 中：
init_workqueues
keventd_wq = create_workqueue("events");
__create_workqueue((name), 0, 0)
for_each_possible_cpu(cpu) {
err = create_workqueue_thread(cwq, cpu);
p = kthread_create(worker_thread, cwq, fmt, wq->name, cpu); 对于每一个 CPU，都创建一个名为“events/X”的内核线程，X 从 0 开始。在创建 workqueue 的同时创建内核线程。
4.2 Linux 4.x 的工作队列创建过程
Linux4.x 中，内核线程和工作队列是分开创建的。先创建内核线程，代码在 kernel\workqueue.c 中：
init_workqueues
/* initialize CPU pools */
for_each_possible_cpu(cpu) {
for_each_cpu_worker_pool(pool, cpu) {
/* 对每一个 CPU 都创建 2 个 worker_pool 结构体，它是含有 ID 的 */
/* 一个 worker_pool 对应普通优先级的 work，第 2 个对应高优先级的 work */
}
/* create the initial worker */
for_each_online_cpu(cpu) {
for_each_cpu_worker_pool(pool, cpu) {
/* 对每一个 CPU 的每一个 worker_pool，创建一个 worker */
/* 每一个 worker 对应一个内核线程 */
BUG_ON(!create_worker(pool));
}
} create_worker 函数代码如下：
创建好内核线程后，再创建 workqueue，代码在 kernel\workqueue.c 中：
init_workqueues
system_wq = alloc_workqueue("events", 0, 0);
__alloc_workqueue_key
wq = kzalloc(sizeof(*wq) + tbl_size, GFP_KERNEL); // 分配 workqueue_struct
alloc_and_link_pwqs(wq) // 跟 worker_poll 建立联系 
