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：

公平性：确保所有进程获得公平的 CPU 时间片。
可预测性：进程应该能够预测它们何时将获得 CPU 时间。
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：

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。
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。
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。
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

CFS 为每个进程维护一个 vruntime 值。
CFS 根据进程的优先级计算公平时间片。
CFS 允许进程运行其公平时间片。
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。
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。
CFS 尝试将进程均匀地分布在所有可用的 CPU 上。
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：

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。
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。
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：

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。
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。
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：

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。