13 内核开发-任务调度-Work queues工作队列

13 内核开发-任务调度-Work queues工作队列

目录

13 内核开发-任务调度-Work queues工作队列

1.定义

2.内涵

3.使用示例

4.具体代码使用实践

5.注意事项

6.最佳实践

7.总结

9.比较 workqueue_struct 与 tasklet

课程简介：
Linux内核开发入门是一门旨在帮助学习者从最基本的知识开始学习Linux内核开发的入门课程。该课程旨在为对Linux内核开发感兴趣的初学者提供一个扎实的基础，让他们能够理解和参与到Linux内核的开发过程中。

课程特点：
1. 入门级别：该课程专注于为初学者提供Linux内核开发的入门知识。无论你是否具有编程或操作系统的背景，该课程都将从最基本的概念和技术开始，逐步引导学习者深入了解Linux内核开发的核心原理。

2. 系统化学习：课程内容经过系统化的安排，涵盖了Linux内核的基础知识、内核模块编程、设备驱动程序开发等关键主题。学习者将逐步了解Linux内核的结构、功能和工作原理，并学习如何编写和调试内核模块和设备驱动程序。

3. 实践导向：该课程强调实践，通过丰富的实例和编程练习，帮助学习者将理论知识应用到实际的Linux内核开发中。学习者将有机会编写简单的内核模块和设备驱动程序，并通过实际的测试和调试来加深对Linux内核开发的理解。

4. 配套资源：为了帮助学习者更好地掌握课程内容，该课程提供了丰富的配套资源，包括教学文档、示例代码、实验指导和参考资料等。学习者可以根据自己的学习进度和需求，灵活地利用这些资源进行学习和实践。

无论你是计算机科学专业的学生、软件工程师还是对Linux内核开发感兴趣的爱好者，Linux内核开发入门课程都将为你提供一个扎实的学习平台，帮助你掌握Linux内核开发的基础知识，为进一步深入研究和应用Linux内核打下坚实的基础。

这一讲，主要分享如何在内核开模块开发中如何使用工作对了 workqueue。

1.定义

内核中调度任务除了tasklet 可以调度任务外，还可以使用 workqueue ,内核里面使用 CFS 执行队列里面的任务，所以熟悉workqueue 就要先了解 CFS 。

Completely Fair Scheduler (CFS) 
完全公平调度程序 (CFS) 是 Linux 内核中的一种进程调度程序，它旨在为交互式应用程序提供公平且可预测的性能。它于 2007 年引入内核，并逐渐成为 Linux 系统中最常用的调度程序。

2.内涵

CFS 的主要目标是：

1. 公平性： 确保所有进程获得公平的 CPU 时间片。
2. 可预测性： 进程应该能够预测它们何时将获得 CPU 时间。
3. 交互性： 交互式应用程序（例如桌面环境和游戏）应该获得优先级，以提供流畅的性能。

CFS 通过使用以下机制来实现这些目标：

1. 虚拟运行时间 (vruntime)： 每个进程都有一个 vruntime 值，它表示进程在没有被抢占的情况下运行的时间。
2. 公平时间片： 每个进程在运行一段时间后都会被抢占，这个时间段称为公平时间片。公平时间片的大小是根据进程的优先级动态计算的。
3. 赤字会计： 当一个进程被抢占时，它会累积赤字。赤字表示进程在被抢占之前应该运行的额外时间。
4. 负载平衡： CFS 尝试将进程均匀地分布在所有可用的 CPU 上，以最大限度地提高系统吞吐量。

CFS 的工作原理

1. CFS 为每个进程维护一个 vruntime 值。
2. CFS 根据进程的优先级计算公平时间片。
3. CFS 允许进程运行其公平时间片。
4. 如果一个进程在公平时间片结束之前被抢占，则它的赤字会增加。
5. 当一个进程的赤字足够大时，CFS 会提升它的优先级，以便它可以更快地运行。
6. CFS 尝试将进程均匀地分布在所有可用的 CPU 上。
7. CFS 是一种非常有效的调度程序，它可以为交互式应用程序提供公平且可预测的性能。它也是一个非常可配置的调度程序，可以根据系统的特定需求进行调整。

此外，CFS 是一个层次结构调度程序，这意味着它使用多个队列来管理进程。CFS 使用红黑树来跟踪进程的 vruntime 值。CFS 可以与其他调度程序（例如实时调度程序）结合使用。

3.使用示例

(a) stuct workqueue_struct *myqueue;

workqueue_struct 是内核中用于表示工作队列的数据结构。工作队列是一种机制，允许内核将任务委托给内核线程池异步执行。

(b)alloc_workqueue("my_workqueue", WQ_HIGHPRI, 0);

alloc_workqueue() 函数用于分配和初始化一个新的工作队列。它需要以下参数：

*const char name： 工作队列的名称。
int flags： 工作队列的标志。可以使用的标志包括：
WQ_HIGHPRI：创建一个高优先级工作队列。
WQ_UNBOUND：创建一个不绑定到任何特定 CPU 的工作队列。
WQ_SYSFS：创建一个在 sysfs 中可见的工作队列。
alloc_workqueue() 函数成功时返回一个 workqueue_struct 指针，失败时返回 NULL。

(c)destroy_workqueue(my_workqueue);

destroy_workqueue() 函数用于销毁一个工作队列。它需要一个 workqueue_struct 指针作为参数。

destroy_workqueue() 函数成功时返回 0，失败时返回 -1。

4.具体代码使用实践

#include <linux/init.h> 
#include <linux/module.h> 
#include <linux/workqueue.h> 
 
static struct workqueue_struct *queue = NULL; 
static struct work_struct work; 
 
static void work_handler(struct work_struct *data) 
{ 
    pr_info("work handler function.\n"); 
} 
 
static int __init sched_init(void) 
{ 
    queue = alloc_workqueue("HELLOWORLD", WQ_UNBOUND, 1); 
    INIT_WORK(&work, work_handler); 
    queue_work(queue, &work); 
    return 0; 
} 
 
static void __exit sched_exit(void) 
{ 
    destroy_workqueue(queue); 
} 
 
module_init(sched_init); 
module_exit(sched_exit); 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
MODULE_DESCRIPTION("Workqueue example");

5.注意事项

在内核中使用 workqueue_struct 时需要注意以下几点：

1.     选择正确的标志： 在调用 alloc_workqueue() 函数时，必须仔细选择要使用的标志。不同的标志会影响工作队列的行为方式。例如，WQ_HIGHPRI 标志会创建一个高优先级工作队列，而 WQ_UNBOUND 标志会创建一个不绑定到任何特定 CPU 的工作队列。
2.     正确使用工作队列： 必须正确使用工作队列。例如，不应在中断上下文中使用工作队列。
3.     释放工作队列： 在使用完工作队列后，必须使用 destroy_workqueue() 函数释放它。

使用 workqueue_struct 更多具体事项：

1.     避免死锁： 如果工作队列中的任务试图获取已经在持有该锁的内核对象上的锁，则可能会发生死锁。
2.     避免饥饿： 如果工作队列中的任务具有非常高的优先级，则可能会饿死其他优先级较低的任务。
3.     性能注意事项： 工作队列可能会对内核性能产生影响。例如，如果工作队列中的任务非常耗时，则可能会导致内核性能下降。

6.最佳实践

在内核中使用 workqueue_struct 的最佳实践包括：

1. 选择正确的标志： 在调用 alloc_workqueue() 函数时，请仔细选择要使用的标志。不同的标志会影响工作队列的行为方式。例如，WQ_HIGHPRI 标志会创建一个高优先级工作队列，而 WQ_UNBOUND 标志会创建一个不绑定到任何特定 CPU 的工作队列。一般来说，应避免使用 WQ_HIGHPRI 标志，除非绝对必要。
2. 正确使用工作队列： 必须正确使用工作队列。例如，不应在中断上下文中使用工作队列。此外，应避免在工作队列中执行耗时的任务。
3. 释放工作队列： 在使用完工作队列后，必须使用 destroy_workqueue() 函数释放它。
4. 避免死锁： 如果工作队列中的任务试图获取已经在持有该锁的内核对象上的锁，则可能会发生死锁。为了避免死锁，应注意不要在工作队列中获取内核对象的锁。
5. 避免饥饿： 如果工作队列中的任务具有非常高的优先级，则可能会饿死其他优先级较低的任务。为了避免饥饿，应避免在工作队列中创建具有非常高优先级的任务。
6. 性能注意事项： 工作队列可能会对内核性能产生影响。例如，如果工作队列中的任务非常耗时，则可能会导致内核性能下降。为了避免性能问题，应避免在工作队列中执行耗时的任务。
7. 使用工作队列来执行异步任务： 工作队列最适合用于执行异步任务。例如，工作队列可用于将任务委托给内核线程池以在后台执行。
8. 使用工作队列来提高可伸缩性： 工作队列可以提高内核的可伸缩性，因为它们允许内核在多个 CPU 上并行执行任务。
9. 使用工作队列来提高模块性： 工作队列可以提高内核的模块性，因为它们允许内核以模块化方式安排任务。

7.总结

总的来说，与 tasklet 相比，在内核中使用 CFS workqueue_struct 的主要优点是更好的可伸缩性、更少的上下文切换开销、更好的模块性和更少的同步开销。

tasklet 在某些情况下仍然比 workqueue_struct 更合适。例如，tasklet 更适合处理需要非常快速响应时间的任务。workqueue_struct 更适合处理需要高吞吐量或低延迟的任务，而 tasklet 更适合处理需要非常快速响应时间的任务。

9.比较 workqueue_struct 与 tasklet