Linux 内核 tasklet 机制和工作队列

1. Tasklet机制分析

上面我们介绍了软中断机制,linux内核为什么还要引入tasklet机制呢?主要原因是软中断的pending标志位也就32位,一般情况是不随意增加软中断处理的。而且内核也没有提供通用的增加软中断的接口。其次内,软中断处理函数要求可重入,需要考虑到竞争条件比较多,要求比较高的编程技巧。所以内核提供了tasklet这样的一种通用的机制。

其实每次写总结的文章,总是想把细节的东西说明白,所以越写越多。这样做的好处是能真正理解其中的机制。但是,内容太多的一个坏处就是难道记忆,所以,在讲清楚讲详细的同时,我还要把精髓总结出来。Tasklet的特点,也是tasklet的精髓就是:tasklet不能休眠,同一个tasklet不能在两个CPU上同时运行,但是不同tasklet可能在不同CPU上同时运行,则需要注意共享数据的保护。

主要的数据结构

static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_vec);

static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_hi_vec);

如何使用tasklet

使用tasklet比较简单,只需要初始化一个tasklet_struct结构体,然后调用tasklet_schedule,就能利用tasklet机制执行初始化的func函数。

tasklet_schedule处理过程也比较简单,就是把tasklet_struct结构体挂到tasklet_vec链表或者挂接到tasklet_hi_vec链表上,并调度软中断TASKLET_SOFTIRQ或者HI_SOFTIRQ

Tasklet执行过程

Tasklet_action在软中断TASKLET_SOFTIRQ被调度到后会被执行,它从tasklet_vec链表中把tasklet_struct结构体都取下来,然后逐个执行。如果t->count的值等于0,说明这个tasklet在调度之后,被disable掉了,所以会将tasklet结构体重新放回到tasklet_vec链表,并重新调度TASKLET_SOFTIRQ软中断,在之后enable这个tasklet之后重新再执行它。

2. Linux工作队列

前面已经介绍了tasklet机制,有了tasklet机制为什么还要增加工作队列机制呢?我的理解是由于tasklet机制的限制,变形tasklet中的回调函数有很多的限制,比如不能有休眠的操作等等。而是用工作队列机制,需要处理的函数在进程上下文中调用,休眠操作都是允许的。但是工作队列的实时性不如tasklet,采用工作队列的例程可能不能在短时间内被调用执行。

数据结构说明

首先需要说明的是workqueue_struct和cpu_workqueue_struct这两个数据结构,创建一个工作队列首先需要创建workqueue_struct,然后可以在每个CPU上创建一个cpu_workqueue_struct管理结构体。

Work_struct表示将要提交的处理的工作。

上面三个数据结构的关系如下图所示

wps_clip_image-32340

介绍主要数据结构的目的并不是想要把工作队列具体的细节说明白,主要的目的是给大家一个总的架构的轮廓。具体的分析在下面展开。从上面的该模块主要数据结构的关系来看,主要需要分析如下几个问题:

1. Workqueque是怎样创建的,包括event/0内核进程的创建

2. Work_queue是如何提交到工作队列的

3. Event/0内核进程如何处理提交到队列上的工作

Workqueque的创建

首先申请了workqueue_struct结构体内存,cpu_workqueue_struct结构体的内存。然后在init_cpu_workqueue函数中对cpu_workqueue_struct结构体进行初始化。同时调用create_workqueue_thread函数创建处理工作队列的内核进程。

create_workqueue_thread中创建了如下的内核进程

p = kthread_create(worker_thread, cwq, fmt, wq->name, cpu);

最后调用start_workqueue_thread启动新创建的进程。

向工作队列中添加工作

Shedule_work 函数向工作队列中添加任务。这个接口比较简单,无非是一些队列操作,不再叙述。

工作队列内核进程的处理过程

在创建工作队列的时候,我们创建了一个或者多个进程来处理挂到队列上的工作。这个内核进程的主要函数体为worker_thread,这个函数比较有意思的地方就是,自己降低的优先级,说明worker_thread调度的优先级比较低。在系统负载大大时候,采用工作队列执行的操作可能存在较大的延迟。

就函数的执行流程来说是真心的简单,只是从队列中取出work,从队列中删除掉,清除掉pending标记,并执行work设置的回调函数。

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