Роберт Лав - Разработка ядра Linux

Большинство драйверов использует существующие по умолчанию рабочие потоки, которые называются events. Они просты в реализации и в использовании. Однако в некоторых, более серьезных ситуациях необходимо создавать новые специальные рабочие потоки. Например, драйвер файловой системы XFS создает два новых типа рабочих потоков.

Использование очередей отложенных действий

Использовать очереди действий просто. Сначала мы рассмотрим рабочие потоки, используемые по умолчанию, — events, а затем опишем создание новых типов рабочих потоков.

Первый этап — это создание самого действия, которое должно быть отложено. Для создания статической структуры на этапе компиляции необходимо использовать следующий макрос.

DECLARE_WORK(name, void (*func)(void*), void *data);

Это выражение создает структуру work_struct с именем name, с функцией- обработчиком func и аргументом функции-обработчика data.

Во время выполнения отложенное действие можно создать с помощью передачи указателя на структуру, используя следующий макрос.

INIT_WORK(struct work_struct *work, void (*func)(void*), void *data);

Этот макрос динамически инициализирует отложенное действие, на структуру которого указывает указатель work, устанавливая функцию-обработчик func и аргумент data.

Прототип обработчика отложенного действия имеет следующий вид.

void work_handler(void *data);

Рабочий поток выполняет эту функцию, и, следовательно, эта функция выполняется в контексте процесса. По умолчанию при этом вес прерывания разрешены и никакие захваченные блокировки не удерживаются. Ели это необходимо, то функция может переходить в состояние ожидания. Следует заметить, что несмотря на то, что обработчики отложенных действий и выполняются в контексте процесса, эти обработчики не могут переходить в пространство пользователя, так как у потоков пространства ядра нет адресного пространства пользователя. Ядро может обращаться в пространство пользователя, только когда оно выполняется от имени пользовательского процесса, который имеет адресное пространство пользователя, отображенное на память, как, например, в случае выполнения системного вызова.

Блокировки между очередями отложенных действий и другими частями ядра осуществляются также, как и в случае любого другого кода, работающего в контексте процесса. Это позволяет сделать написание обработчиков отложенных действий достаточно простым. В следующих двух главах это раскрывается более детально.

Теперь, когда отложенное действие создано, его нужно запланировать на выполнение. Для того чтобы поставить обработчик данного действия в очередь на выполнение потоками events, которые работают по умолчанию, необходимо просто вызвать следующую функцию.

schedule_work(&work);

Действие планируется на выполнение немедленно и будет выполнено, как только рабочий поток events, работающий на данном процессоре, перейдет в состояние выполнения.

Иногда необходимо, чтобы действие было выполнено не немедленно, а с некоторой задержкой. В этом случае работа может быть запланирована на выполнение в некоторый момент времени в будущем. Для этого используется следующая функция.

schedule_delayed_work(&work, delay);

В этом случае действие, представленное структурой work_struct, с адресом &work, не будет выполнено, пока не пройдет хотя бы заданное в параметре delay количество импульсов таймера. О том, как использовать импульсы таймера для измерения времени, рассказывается в главе 10, "Таймеры и управление временем".

Действия, поставленные в очередь, выполняются, когда рабочий поток возвращается к выполнению. Иногда нужно гарантировать, что, перед тем как двигаться дальше, заданный пакет отложенных действий завершен. Это особенно важно для загружаемых модулей, которые, вероятно, должны вызывать эту функцию, перед выгрузкой. В других местах также может быть необходимо гарантировать, что нет ожидающих на выполнение действий, для предотвращения состояния конкуренции.

Для этого есть следующая функция, которая позволяет ждать, пока очередь действий events не будет очищена.

void flush_scheduled_work(void);

Данная функция ожидает, пока все действия в очереди действий events не будут выполнены. В ожидании завершения всех заданий очереди, эта функция переводит вызывающий процесс в состояние ожидания. Поэтому ее можно вызывать только из контекста процесса.

Заметим, что эта функция не отменяет никаких отложенных действий с задержками. Любые действия, которые запланированы на выполнение с помощью функции schedule_delayed_work() и задержки которых еще не закончены, — не очищаются с помощью функций flush_scheduled_work(). Для отмены отложенных действий с задержками следует использовать функцию

int cancel_delayed_work(struct work_struct *work);

Эта функция отменяет отложенное действие, которое связано с данной структурой work_struct, если оно запланировано.

Если для поставленных целей недостаточно очереди отложенных действий, которая используется по умолчанию, то можно создать новую очередь действий и соответствующие рабочие потоки. Так как при этом создается по одному потоку на каждый процессор, то новые очереди действий необходимо создавать, только если необходима большая производительность за счет выделенного набора потоков.

Новая очередь действий и связанные с ней рабочие потоки создаются с помощью простого вызова функции.

struct workqueue_struct *create_workqueue(const char *name);

Параметр name используется для того, чтобы присваивать имена потокам ядра. Например, очередь events, которая используется по умолчанию, создается с помощью следующего вызова.

struct workqueue_struct *keventd_wq = create_workqueue("events");

При этом также создаются все рабочие потоки (по одному на каждый процессор), которые подготавливаются к выполнению работы.

Создание отложенных действий выполняется одинаково, независимо от тина очереди. После того как действия созданы, могут быть использованы функции, аналогичные функциям schedule_work() и schedule_delayed_work(), которые отличаются тем, что работают с заданной очередью действий, а не с очередью, используемой по умолчанию.

int queue_work struct workqueue_struct *wq, struct work_struct *work);

intqueue_delayed_work(struct workqueue_struct *wq,

struct work_struct *work, unsigned long delay);

И наконец, ожидание завершения действий в заданной очереди может быть выполнено с помощью функции

flush_workqueue(struct workqueue_struct *wq);

Эта функция работает по аналогии с функцией flush_scheduled_work(), как описывалось ранее, за исключением того, что она ожидает, пока заданная очередь не станет пустой.

Старый механизм очередей заданий

Так же как и в случае интерфейса BH, который дал начало интерфейсам отложенных прерываний (softirq) и тасклетов (tasklet), интерфейс очередей действий возник благодаря недостаткам интерфейса очередей заданий (task queue). Интерфейс очередей заданий (который еще называют просто tq), так же как и тасклеты, не имеет ничего общего с заданиями (task), в смысле с процессами[41]. Все подсистемы, которые использовали механизм очередей заданий, были разбиты на две группы еще во времена разработки серии ядер 2.5. Первая группа была переведена на использование тасклетов, а вторая— продолжала использовать интерфейс очередей заданий. Все, что осталось от интерфейса очередей заданий, перешло в интерфейс очередей отложенных действий. Краткое рассмотрение очередей заданий, которым пользовались в течение некоторого времени, — это хорошее упражнение по истории.

Интерфейс очередей заданий позволял определять набор очередей. Очереди имели имена, такие как scheduler queue (очередь планировщика), immediate queue (немедленная очередь) или timer queue (очередь таймера). Каждая очередь выполнялась в определенных местах в ядре. Поток пространства ядра keventd выполнял работу, связанную с очередью планировщика. Эта очередь была предшественником интерфейса очередей отложенных действий. Очередь таймера выполнялась при каждом импульсе системного таймера, а немедленная очередь выполнялась в нескольких местах, чтобы гарантировать "немедленное" выполнение. Были также и другие очереди. Кроме того, можно было динамически создавать новые очереди.

Все это может показаться полезным, но на практике интерфейс очередей заданий приносил только неприятности. Все очереди были, по сути, оторваны от действительности. Единственной ценной очередью оказалась очередь планировщика, которая предоставляла единственную возможность, чтобы выполнять отложенные действия в контексте процесса.