linux驱动---等待队列、工作队列、Tasklets

2019-10-10 07:00| 发布者: admin| 查看: 710| 评论: 0

摘要: 嵌入式linux QQ交流群：175159209，欢迎爱好者加入交流技术问题！概述:等待队列、工作队列、Tasklet都是linux驱动很重要的API,下面主要从用法上来讲述如何使用API.应用场景：等待队列（waitqueue）linux驱动中，阻塞 ...

嵌入式linux QQ交流群：175159209，欢迎爱好者加入交流技术问题！

概述:
等待队列、工作队列、Tasklet都是linux驱动很重要的API,下面主要从用法上来讲述如何使用API.

应用场景：
等待队列（waitqueue）
linux驱动中，阻塞一般就是用等待队列来实现，将进程停止在此处并睡眠下，直到条件满足时，才可通过此处，继续运行。在睡眠等待期间，wake up时，唤起来检查条件，条件满足解除阻塞，不满足继续睡下去。

工作队列（workqueue）
工作队列，将一个work提交到workqueue上，而这个workqueue是挂到一个特殊内核进程上，当这个特殊内核进程被调度时，会从workqueue上取出work来执行。当然这里的work是与函数联系起来的。这个过程表现为，此刻先接下work,但不立刻执行这个work，等有时间再执行，而这个时间是不确定的。
工作队列运行在进程上下文，可以睡眠。

Tasklet
Tasklet，同样，也是先接下任务，但不立刻做任务，与work很类似。tasklet运行在软中断上下文。

软中断：有这样三句话理解”硬中断是外部设备对CPU的中断”，”软中断通常是硬中断服务程序对内核的中断”，”信号则是由内核（或其他进程）对某个进程的中断”

这三句话，是比较笼统的理解，现在回到linux具体来理解：

软中断触发时机：
（1）中断上下文触发（在中断服务程序中），在中断服务程序退出后，软中断会得到立马处理。
（2）非中断上下文（也可以理解进程上下文），通过唤醒守护进程ksoftirqd，只有当守护进程得到调度后，软中断才会得到处理。
不管是中断上下文，还是非中断上下文，最终都是调用__do_softirq实现的软中断，在这个函数里面是打开硬件中断，关闭内核抢占。这就是软中断上下文，即开硬件中断，关闭抢占。

tasklet是基于软中断实现的，用在中断服务程序触发tasklet,则就是中断下半部分，也是用得最多的情况。用在进程上下文触发tasklet,则很类似workqueue,但是tasklet不能有睡眠（因为关闭抢占的，不考虑硬件中断，就是原子性的），也不适合做非常耗时的，如果是非常耗时的，尽量交给workqueue（可以在tasklet回调里面用work，把更耗时，时间要求更不高的，交给workqueue）。

软中断详细了解，可参考如下博文：
linux软中断机制分析
linux中断底半部之 softirq 原理与代码分析
linux软中断与硬中断实现原理概述
硬中断、软中断和信号

等待队列（waitqueue）
定义头文件：
#include <linux/wait.h>

定义和初始化等待队列头（workqueue）：
静态的,用宏：
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

动态的,也是用宏：

#define init_waitqueue_head(q) \
do { \
static struct lock_class_key __key; \
\
__init_waitqueue_head((q), #q, &__key); \
} while (0)

如：

wait_queue_head_t wq;
init_waitqueue_head(&wq);

阻塞接口：
都是些宏：
wait_event(wq, condition)
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)
wait_event_interruptible(wq, condition)
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)
wait_event_hrtimeout(wq, condition, timeout)
wait_event_interruptible_hrtimeout(wq, condition, timeout)
wait_event_interruptible_exclusive(wq, condition)
wait_event_interruptible_locked(wq, condition)
wait_event_interruptible_locked_irq(wq, condition)
wait_event_interruptible_exclusive_locked(wq, condition)
wait_event_interruptible_exclusive_locked_irq(wq, condition)
wait_event_killable(wq, condition)
wait_event_lock_irq_cmd(wq, condition, lock, cmd)
wait_event_lock_irq(wq, condition, lock)
wait_event_interruptible_lock_irq_cmd(wq, condition, lock, cmd)
wait_event_interruptible_lock_irq(wq, condition, lock)
wait_event_interruptible_lock_irq_timeout(wq, condition, lock, timeout)

接口版本比较多，各自都有自己合适的应用场合，但是常用的是前面四个。
其中wq是我们定义的等待队列头，condition为条件表达式，当wake up后，condition为真时，唤醒阻塞的进程，为假时，继续睡眠。
wait_event：不可中断的睡眠，条件一直不满足，会一直睡眠。
wait_event_timeout：不可中断睡眠，当超过指定的timeout（单位是jiffies）时间，不管有没有wake up，还是条件没满足，都要唤醒进程，此时返回的是0。在timeout时间内条件满足返回值为timeout或者1；
wait_event_interruptible:可被信号中断的睡眠，被信号打断唤醒时，返回负值-ERESTARTSYS；wake up时，条件满足的，返回0。除了wait_event没有返回值，其它的都有返回，有返回值的一般都要判断返回值。如下例：

int flag = 0;
if(wait_event_interruptible(&wq，flag == 1))
return -ERESTARTSYS;

wait_event_interruptible_timeout：是wait_event_timeout和wait_event_interruptible_timeout的结合版本，有它们两个的特点。

其他的接口，用的不多，有兴趣可以自己看看。

解除阻塞接口（唤醒）
接口也是些宏：
#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)
#define wake_up_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_NORMAL, nr, NULL)
#define wake_up_all(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 0, NULL)
#define wake_up_locked(x) __wake_up_locked((x), TASK_NORMAL, 1)
#define wake_up_all_locked(x) __wake_up_locked((x), TASK_NORMAL, 0)

#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
#define wake_up_interruptible_nr(x, nr) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, nr, NULL)
#define wake_up_interruptible_all(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL)
#define wake_up_interruptible_sync(x) __wake_up_sync((x), TASK_INTERRUPTIBLE, 1)

wake_up：一次只能唤醒挂在这个等待队列头上的一个进程
wake_up_nr：一次唤起nr个进程（等待在同一个wait_queue_head_t有很多个）
wake_up_all：一次唤起所有等待在同一个wait_queue_head_t上所有进程
wake_up_interruptible：对应wait_event_interruptible版本的wake up
wake_up_interruptible_sync：保证wake up的动作原子性，wake_up这个函数，很有可能函数还没执行完，就被唤起来进程给抢占了，这个函数能够保证wak up动作完整的执行完成。
其他的也是与对应阻塞接口对应的。

灵活的添加删除等待队列头中的等待队列：
这小节，可以不看，对应用，不是很重要。
（1）定义：
静态：
#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk) \
wait_queue_t name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

（2）动态：

wait_queue_t wa;
init_waitqueue_entry(&wa,&tsk);

tsk是进程结构体，一般是current（linux当前进程就是用这个获取）。还可以用下面的，设置自定义的等待队列回调函数,上面的是linux默认的一个回调函数default_wake_function(),不过默认的用得最多：

wait_queue_t wa;
wa->private = &tsk;
int func(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int flags, void *key)
{
//
}
init_waitqueue_func_entry(&wa,func);

（回调有什么作用？）
用下面函数将等待队列，加入到等待队列头（带remove的是从工作队列头中删除工作队列）：

extern void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
extern void add_wait_queue_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
extern void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);

上面的阻塞和解除阻塞接口，只能是对当前进程阻塞/解除阻塞,有了这几个灵活的接口，我们可以单独定义一个等待队列，只要获取进程task_struct指针，我们可以将任何进程加入到这个等待队列，然后加入到等待队列头，我们能将其它任何进程（不仅仅是当前进程），挂起睡眠，当然唤醒时，如果用wake_up_all版本的话，也会一同唤起。这种情况，阻塞不能用上面的接口了，我们需要用下一节讲述的接口（schedule()），解除阻塞可以用wake_up,wake_up_interruptible等。

更高级灵活的阻塞：
阻塞当前进程的原理：用函数set_current_state()修改当前进程为TASK_INTERRUPTIBLE（不可中断睡眠）或TASK_UNINTERRUPTIBLE（可中断睡眠）状态，然后调用schedule()告诉内核重新调度，由于当前进程状态已经为睡眠状态，自然就不会被调度。schedule()简单说就是告诉内核当前进程主动放弃CPU控制权。这样来，就可以说当前进程在此处睡眠，即阻塞在这里。
在上一小节“灵活的添加删等待队列头中的等待队列”，将任意进程加入到waitqueue，然后类似用：

task_struct *tsk;
wait_queue_t wa;
//假设tsk已经指向某进程控制块
p->state = TASK_INTERRUPTIBLE;//or TASK_UNINTERRUPTIBLE
init_waitqueue_entry(&wa,&tsk);

就能将任意进程挂起，当然，还需要将wa，挂到等待队列头，然后用wait_event(&wa),进程就会从就绪队列中退出，进入到睡眠队列，直到wake up时，被挂起的进程状态被修改为TASK_RUNNING，才会被再次调度。（主要是schedule()下面会说到）。

先看下wait_event实现：

#define __wait_event(wq, condition) \
do { \
DEFINE_WAIT(__wait); \
\
for (;;) { \
prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_UNINTERRUPTIBLE); \
if (condition) \
break; \
schedule(); \
} \
finish_wait(&wq, &__wait); \
} while (0)

#define wait_event(wq, condition) \
do { \
if (condition) \
break; \
__wait_event(wq, condition); \
} while (0)

prepare_to_wait：
定义：void prepare_to_wait(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state)
功能：将工作队列wait加入到工作队列头q，并将当前进程设置为state指定的状态，一般是TASK_UNINTERRUPTIBLE或TASK_INTERRUPTIBLE状态（在这函数里有调用set_current_state）。
第一个参数：工作队列头
第二个参数：工作队列
第三个参数：当前进程要设置的状态

DEFINE_WAIT：定义一个工作队列。
finish_wait：用了prepare_to_wait之后，当退出时，一定要用这个函数清空等待队列。

从这个宏的实现，可以看出睡眠进程过程，prepare_to_wait先修改进程到睡眠状态，条件不满足，schedule()就放弃CPU控制权，睡眠，当wake up的时候，阻塞在wq（也可以说阻塞在wait_event处）等待队列头上的进程，再次得到运行，接着执行schedule()后面的代码，这里，显然是个循环，prepare_to_wait再次设置当前进程为睡眠状态，然后判断条件是否满足，满足就退出循环，finish_wait将当前进程恢复到TASK_RUNNING状态，也就意味着阻塞解除。不满足，继续睡下去。如此反复等待条件成立。

明白这个过程，用prepare_to_wait和schedule()来实现更为灵活的阻塞，就很简单了，解除阻塞和前面的一样用wake_up,wake_up_interruptible等。

wait_queue_t成员flage重要的标志WQ_FLAG_EXCLUSIVE，表示：

当一个等待队列入口有 WQ_FLAG_EXCLUSEVE 标志置位, 它被添加到等待队列的尾
部. 没有这个标志的入口项, 添加到开始.
当 wake_up 被在一个等待队列上调用, 它在唤醒第一个有 WQ_FLAG_EXCLUSIVE 标
志的进程后停止.
wait_event默认总是将waitqueue加入开始，而wake_up时总是一个一个的从开始处唤醒，如果不断有waitqueue加入，那么最开始加入的，就一直得不到唤醒，有这个标志，就避免了这种情况。

prepare_to_wait_exclusive()就是加入了这个标志的。

工作队列：
头文件：
#include <linux/workqueue.h>

创建workqueue:
#define create_workqueue(name) \
alloc_workqueue((name), WQ_MEM_RECLAIM, 1)

#define create_singlethread_workqueue(name) \
alloc_ordered_workqueue("%s", WQ_MEM_RECLAIM, name)

这两个宏都会返回一个workqueue_struct结构体的指针，并且都会创建进程（“内核线程”）来执行加入到这个workqueue的work。
create_workqueue：多核CPU，这个宏，会在每个CPU上创建一个专用线程。
create_singlethread_workqueue：单核还是多核，都只在其中一个CPU上创建线程。

用法例子：

struct workqueue *wq,*ws;
wq = create_workqueue("wqname");
ws = create_singlethread_workqueue("wsname");

定义work:
（1）静态（其实，将这个宏，放到局部变量里面，也是个动态的）：
#define DECLARE_WORK(n, f) \
struct work_struct n = __WORK_INITIALIZER(n, f)

用法例子：

void func(struct work_struct *work)
{

}
DECLARE_WORK(wo,func);

（2）动态定义：

#define INIT_WORK(_work, _func) \
do { \
__INIT_WORK((_work), (_func), 0); \
} while (0)

用法例子：

void func(struct work_struct *work)
{
}
struct work_struct wo;
INIT_WORK(&wo,func);

还用如下宏，用来修改work绑定的函数：

#define PREPARE_WORK(_work, _func) \
do { \
(_work)->func = (_func); \
} while (0)

如：

void func(struct work_struct *work){}
void funca(struct work_struct *work){}
struct work_struct wo;
INIT_WORK(&wo,func);
PREPARE_WORK(&wo,funca);

修改绑定的函数后，当下次调度到，funca函数被调度，不再是func。

（3）将work加入到workqueue
有两个函数：

bool queue_work(struct workqueue_struct *wq,struct work_struct *work);
bool queue_delayed_work(struct workqueue_struct *wq,
struct delayed_work *dwork,
unsigned long delay);

两个函数的返回值：
返回0，表示work在这之前，已经在workqueue中了
返回非0，表示work成功加入到workqueue中了
queue_delayed_work表示不是马上把work加入到workqueue中，而是延后delay（时间单位jiffies），再加入。注意它的work（dwork）要用宏（静态）DECLARE_DELAYED_WORK来定义和初始化，动态的可以用INIT_DELAYED_WORK，用法和没有延后的差不多。

需要注意：当这个work被调度一次后，就从workqueue中取消了，如果还需要work被调度到（即work中的函数再被调用），需要重新加入到workqueue中，一般可以直接在work绑定的函数，最后一行调用这个两个函数再次加入。

（4）取消work
有两个版本
queue_work对应的版本：

bool cancel_work_sync(struct work_struct *work);

注意：调用这个函数，必须确保work所在的workqueue没被销毁，调用这函数的进程会等待这个work执行完成（得不到执行，进程会阻塞等待），再取消这个work。这个函数返回后，work肯定是被执行了。

queue_delayed_work对应的版本：

bool cancel_delayed_work(struct delayed_work *dwork);
bool cancel_delayed_work_sync(struct delayed_work *dwork);

cancel_delayed_work：返回后，work并不一定被取消，有可能还在运行。
cancel_delayed_work_sync：返回后，work肯定已经被取消了。等到work被执行后，取消完成才返回。

销毁workqueue
销毁函数：

void destroy_workqueue(struct workqueue_struct *wq);

在销毁前，最好调用flush_workqueue来确保在这workqueue上的work都处理完了：

void flush_workqueue(struct workqueue_struct *wq);

总结：工作队列步骤，首先是创建workqueue和定义初始化work，然后将work加入到workqueue中。最后，不要时，销毁workqueue。

共享工作队列
共享队列，就是系统创建了默认的workqueue，只需要定义初始化work，调用接口就完成。
两个接口：

bool schedule_work(struct work_struct *work);
bool schedule_delayed_work(struct delayed_work *dwork,
unsigned long delay);

例子：

void func(struct work_struct *work)
{
}
struct work_struct wo;
INIT_WORK(&wo,func);
schedule_work(&wo);

取消还是用：

bool cancel_work_sync(struct work_struct *work);
bool cancel_delayed_work(struct delayed_work *dwork);
bool cancel_delayed_work_sync(struct delayed_work *dwork);

对应版本接口，用对应版本接口取消。

取消后，一般需要调用下面接口，确保work完成，并取消了:

void flush_scheduled_work(void);

flush_scheduled_work能确保在系统默认创建的workqueue上所有的work都完成了。

Tasklet
头文件：
#include <linux/interrupt.h>

定义和初始化：
（1）静态：**
struct tasklet_struct
{
struct tasklet_struct *next;
unsigned long state;
atomic_t count;
void (*func)(unsigned long);
unsigned long data;
};

#define DECLARE_TASKLET(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(0), func, data }

#define DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(1), func, data }

name:定义的tasklet_struct结构体变量
func:回调函数void (*func)(unsigned long);
data:私有数据可以是具体一个整数，或者指针。没有一般为0。

DECLARE_TASKLET定义是直接可以用tasklet_schedule()加入到调度的。
DECLARE_TASKLET_DISABLED定义的，用这个tasklet_schedule()也无法调度到，需要使用tasklet_enable()使能，才可以被调度运行。

（2）动态：

void tasklet_init(struct tasklet_struct *t,
void (*func)(unsigned long), unsigned long data);

用法：

struct tasklet_struct tl;
void func(unsigned long){}
tasklet_init(&tl,func,0);

函数接口：

void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_hi_schedule(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_hi_schedule_first(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_disable_nosync(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_disable(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_enable(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_kill(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_init(struct tasklet_struct *t,
void (*func)(unsigned long), unsigned long data);

tasklet_schedule:将tasklet加入到调度链表里面，tasklet就能得到执行，每调用这个函数一次，tasklet只能执行一次，要再次执行需要重新调用这个函数。
tasklet_hi_schedule：比tasklet_schedule优先级更高，可以得到更快处理。
tasklet_hi_schedule_first：和tasklet_hi_schedule差不多，只是更安全。
tasklet_disable：禁止tasklet，即使tasklet_schedule已经把tasklet调度链表里，也得不到执行，必须要用tasklet_enable使能才可以。如果当前tasklet正在运行，tasklet_disable会等待执行完，然后禁止，返回。
tasklet_disable_nosync：和tasklet_disable一样，如果当前tasklet在运行，这个函数不会等待完成就先返回，当tasklet完成退出后，再禁止。
tasklet_enable：使能tasklet，和tasklet_disable要成对使用。
tasklet_kill：设备关闭和模块卸载的时候，调用来杀死tasklet。如果当前tasklet在运行，会等待完成后，再杀死。
tasklet_init：初始化tasklet。

tasklet步骤：定义初始化绑定函数，然后调用接口把tasklet加入到调度，在这个过程中，可以使能和禁止。

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