Linux驱动实践：中断处理中的【工作队列】 workqueue 是什么鬼？
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2021-12-27 22:21
作 者：道哥，10+年嵌入式开发老兵，专注于：C/C++、嵌入式、Linux。
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工作队列是什么
驱动程序
编译、测试
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的时候，曾经贴出下面这张图：
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码操作，来演示一下工作队列(workqueue)的使用方式。
工作队列是什么
工作队列是Linux操作系统中，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。
工作队列中有两个重要的结构体：工作队列(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挨个取出来处理。
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：
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;
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列，就是内核默认创建的（include/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;
以上这些默认工作队列的创建代码是(kernel/workqueue.c)：
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(schedule_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。
根据先来后到的原则，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，这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
示例代码全貌
测试场景是：加载驱动模块之后，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system_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
#include
#include
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 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_handler 函数。
在这个函数中，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(system_wq)中取出工作项(mywork)来处理的时候，函数 mywork_handler 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。
完美！
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