Concurrency Managed Workqueue之(二):CMWQ概述

作者:linuxer 发布于:2015-7-31 12:29 分类:中断子系统

一、前言

一种新的机制出现的原因往往是为了解决实际的问题,虽然linux kernel中已经提供了workqueue的机制,那么为何还要引入cmwq呢?也就是说:旧的workqueue机制存在什么样的问题?在新的cmwq又是如何解决这些问题的呢?它接口是如何呈现的呢(驱动工程师最关心这个了)?如何兼容旧的驱动呢?本文希望可以解开这些谜题。

本文的代码来自linux kernel 4.0。

 

二、为何需要CMWQ?

内核中很多场景需要异步执行环境(在驱动中尤其常见),这时候,我们需要定义一个work(执行哪一个函数)并挂入workqueue。处理该work的线程叫做worker,不断的处理队列中的work,当处理完毕后则休眠,队列中有work的时候就醒来处理,如此周而复始。一切看起来比较完美,问题出在哪里呢?

(1)内核线程数量太多。如果没有足够的内核知识,程序员有可能会错误的使用workqueue机制,从而导致这个机制被玩坏。例如明明可以使用default workqueue,偏偏自己创建属于自己的workqueue,这样一来,对于那些比较大型的系统(CPU个数比较多),很可能内核启动结束后就耗尽了PID space(default最大值是65535),这种情况下,你让user space的程序情何以堪?虽然default最大值是可以修改的,从而扩大PID space来解决这个问题,不过系统太多的task会对整体performance造成负面影响。

(2)尽管消耗了很多资源,但是并发性如何呢?我们先看single threaded的workqueue,这种情况完全没有并发的概念,任何的work都是排队执行,如果正在执行的work很慢,例如4~5秒的时间,那么队列中的其他work除了等待别无选择。multi threaded(更准确的是per-CPU threaded)情况当然会好一些(毕竟多消耗了资源),但是对并发仍然处理的不是很好。对于multi threaded workqueue,虽然创建了thread pool,但是thread pool的数目是固定的:每个oneline的cpu上运行一个,而且是严格的绑定关系。也就是说本来线程池是一个很好的概念,但是传统workqueue上的线程池(或者叫做worker pool)却分割了每个线程,线程之间不能互通有无。例如cpu0上的worker thread由于处理work而进入阻塞状态,那么该worker thread处理的work queue中的其他work都阻塞住,不能转移到其他cpu上的worker thread去,更有甚者,cpu0上随后挂入的work也接受同样的命运(在某个cpu上schedule的work一定会运行在那个cpu上),不能去其他空闲的worker thread上执行。由于不能提供很好的并发性,有些内核模块(fscache)甚至自己创建了thread pool(slow work也曾经短暂的出现在kernel中)。

(3)dead lock问题。我们举一个简单的例子:我们知道,系统有default workqueue,如果没有特别需求,驱动工程师都喜欢用这个workqueue。我们的驱动模块在处理release(userspace close该设备)函数的时候,由于使用了workqueue,那么一般会flush整个workqueue,以便确保本driver的所有事宜都已经处理完毕(在close的时候很有可能有pending的work,因此要flush),大概的代码如下:

获取锁A

flush workqueue

释放锁A

flush work是一个长期过程,因此很有可能被调度出去,这样调用close的进程被阻塞,等到keventd_wq这个内核线程组完成flush操作后就会wakeup该进程。但是这个default workqueue使用很广,其他的模块也可能会schedule work到该workqueue中,并且如果这些模块的work也需要获取锁A,那么就会deadlock(keventd_wq阻塞,再也无法唤醒等待flush的进程)。解决这个问题的方法是创建多个workqueue,但是这样又回到了内核线程数量大多的问题上来。

我们再看一个例子:假设某个驱动模块比较复杂,使用了两个work struct,分别是A和B,如果work A依赖 work B的执行结果,那么,如果这两个work都schedule到一个worker thread的时候就出现问题,由于worker thread不能并发的执行work A和work B,因此该驱动模块会死锁。Multi threaded workqueue能减轻这个问题,但是无法解决该问题,毕竟work A和work B还是有机会调度到一个cpu上执行。造成这些问题的根本原因是众多的work竞争一个执行上下文导致的。

(4)二元化的线程池机制。基本上workqueue也是thread pool的一种,但是创建的线程数目是二元化的设定:要么是1,要么是number of CPU,但是,有些场景中,创建number of CPU太多,而创建一个线程又太少,这时候,勉强使用了single threaded workqueue,但是不得不接受串行处理work,使用multi threaded workqueue吧,占用资源太多。二元化的线程池机制让用户无所适从。

 

三、CMWQ如何解决问题的呢?

1、设计原则。在进行CMWQ的时候遵循下面两个原则:

(1)和旧的workqueue接口兼容。

(2)明确的划分了workqueue的前端接口和后端实现机制。CMWQ的整体架构如下:

cmwq

对于workqueue的用户而言,前端的操作包括二种,一个是创建workqueue。可以选择创建自己的workqueue,当然也可以不创建而是使用系统缺省的workqueue。另外一个操作就是将指定的work添加到workqueue。在旧的workqueue机制中,workqueue和worker thread是密切联系的概念,对于single workqueue,创建一个系统范围的worker thread,对于multi workqueue,创建per-CPU的worker thread,一切都是固定死的。针对这样的设计,我们可以进一步思考其合理性。workqueue用户的需求就是一个异步执行的环境,把创建workqueue和创建worker thread绑定起来大大限定了资源的使用,其实具体后台是如何处理work,是否否启动了多个thread,如何管理多个线程之间的协调,workqueue的用户并不关心。

基于这样的思考,在CMWQ中,将这种固定的关系被打破,提出了worker pool这样的概念(其实就是一种thread pool的概念),也就是说,系统中存在若干worker pool,不和特定的workqueue关联,而是所有的workqueue共享。用户可以创建workqueue(不创建worker pool)并通过flag来约束挂入该workqueue上work的处理方式。workqueue会根据其flag将work交付给系统中某个worker pool处理。例如如果该workqueue是bounded类型并且设定了high priority,那么挂入该workqueue的work将由per cpu的highpri worker-pool来处理。

让所有的workqueue共享系统中的worker pool,即减少了资源的浪费(没有创建那么多的kernel thread),又保证了灵活的并发性(worker pool会根据情况灵活的创建thread来处理work)。

3、如何解决线程数目过多的问题?

在CMWQ中,用户可以根据自己的需求创建workqueue,但是已经和后端的线程池是否创建worker线程无关了,是否创建新的work线程是由worker线程池来管理。系统中的线程池包括两种:

(1)和特定CPU绑定的线程池。这种线程池有两种,一种叫做normal thread pool,另外一种叫做high priority thread pool,分别用来管理普通的worker thread和高优先级的worker thread,而这两种thread分别用来处理普通的和高优先级的work。这种类型的线程池数目是固定的,和系统中cpu的数目相关,如果系统有n个cpu,如果都是online的,那么会创建2n个线程池。

(2)unbound 线程池,可以运行在任意的cpu上。这种thread pool是动态创建的,是和thread pool的属性相关,包括该thread pool创建worker thread的优先级(nice value),可以运行的cpu链表等。如果系统中已经有了相同属性的thread pool,那么不需要创建新的线程池,否则需要创建。

OK,上面讲了线程池的创建,了解到创建workqueue和创建worker thread这两个事件已经解除关联,用户创建workqueue仅仅是选择一个或者多个线程池而已,对于bound thread pool,每个cpu有两个thread pool,关系是固定的,对于unbound thread pool,有可能根据属性动态创建thread pool。那么worker thread pool如何创建worker thread呢?是否会数目过多呢?

缺省情况下,创建thread pool的时候会创建一个worker thread来处理work,随着work的提交以及work的执行情况,thread pool会动态创建worker thread。具体创建worker thread的策略为何?本质上这是一个需要在并发性和系统资源消耗上进行平衡的问题,CMWQ使用了一个非常简单的策略:当thread pool中处于运行状态的worker thread等于0,并且有需要处理的work的时候,thread pool就会创建新的worker线程。当worker线程处于idle的时候,不会立刻销毁它,而是保持一段时间,如果这时候有创建新的worker的需求的时候,那么直接wakeup idle的worker即可。一段时间过去仍然没有事情处理,那么该worker thread会被销毁。

4、如何解决并发问题?

我们用某个cpu上的bound workqueue来描述该问题。假设有A B C D四个work在该cpu上运行,缺省的情况下,thread pool会创建一个worker来处理这四个work。在旧的workqueue中,A B C D四个work毫无疑问是串行在cpu上执行,假设B work阻塞了,那么C D都是无法执行下去,一直要等到B解除阻塞并执行完毕。

对于CMWQ,当B work阻塞了,thread pool可以感知到这一事件,这时候它会创建一个新的worker thread来处理C D这两个work,从而解决了并发的问题。由于解决了并发问题,实际上也解决了由于竞争一个execution context而引入的各种问题(例如dead lock)。

 

四、接口API

1、初始化work的接口保持不变,可以静态或者动态创建work。

2、调度work执行也保持和旧的workqueue一致。

3、创建workqueue。和旧的create_workqueue接口不同,CMWQ采用了alloc_workqueue这样的接口符号,相关的接口定义如下:

#define alloc_workqueue(fmt, flags, max_active, args...)        \
    __alloc_workqueue_key((fmt), (flags), (max_active),  NULL, NULL, ##args)

#define alloc_ordered_workqueue(fmt, flags, args...)            \
    alloc_workqueue(fmt, WQ_UNBOUND | __WQ_ORDERED | (flags), 1, ##args)

#define create_freezable_workqueue(name)                \
    alloc_workqueue("%s", WQ_FREEZABLE | WQ_UNBOUND | WQ_MEM_RECLAIM, 1, (name))

#define create_workqueue(name)                        \
    alloc_workqueue("%s", WQ_MEM_RECLAIM, 1, (name))

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

在描述这些workqueue的接口之前,我们需要准备一些workqueue flag的知识。

标有WQ_UNBOUND这个flag的workqueue说明其work的处理不需要绑定在特定的CPU上执行,workqueue需要关联一个系统中的unbound worker thread pool。如果系统中能找到匹配的线程池(根据workqueue的属性(attribute)),那么就选择一个,如果找不到适合的线程池,workqueue就会创建一个worker thread pool来处理work。

WQ_FREEZABLE是一个和电源管理相关的内容。在系统Hibernation或者suspend的时候,有一个步骤就是冻结用户空间的进程以及部分(标注freezable的)内核线程(包括workqueue的worker thread)。标记WQ_FREEZABLE的workqueue需要参与到进程冻结的过程中,worker thread被冻结的时候,会处理完当前所有的work,一旦冻结完成,那么就不会启动新的work的执行,直到进程被解冻。

和WQ_MEM_RECLAIM这个flag相关的概念是rescuer thread。前面我们描述解决并发问题的时候说到:对于A B C D四个work,当正在处理的B work被阻塞后,worker pool会创建一个新的worker thread来处理其他的work,但是,在memory资源比较紧张的时候,创建worker thread未必能够成功,这时候,如果B work是依赖C或者D work的执行结果的时候,系统进入dead lock。这种状态是由于不能创建新的worker thread导致的,如何解决呢?对于每一个标记WQ_MEM_RECLAIM flag的work queue,系统都会创建一个rescuer thread,当发生这种情况的时候,C或者D work会被rescuer thread接手处理,从而解除了dead lock。

WQ_HIGHPRI说明挂入该workqueue的work是属于高优先级的work,需要高优先级(比较低的nice value)的worker thread来处理。

WQ_CPU_INTENSIVE这个flag说明挂入该workqueue的work是属于特别消耗cpu的那一类。为何要提供这样的flag呢?我们还是用老例子来说明。对于A B C D四个work,B是cpu intersive的,当thread正在处理B work的时候,该worker thread一直执行B work,因为它是cpu intensive的,特别吃cpu,这时候,thread pool是不会创建新的worker的,因为当前还有一个worker是running状态,正在处理B work。这时候C Dwork实际上是得不到执行,影响了并发。

了解了上面的内容,那么基本上alloc_workqueue中flag参数就明白了,下面我们转向max_active这个参数。系统不能允许创建太多的thread来处理挂入某个workqueue的work,最多能创建的线程数目是定义在max_active参数中。

除了alloc_workqueue接口API之外,还可以通过alloc_ordered_workqueue这个接口API来创建一个严格串行执行work的一个workqueue,并且该workqueue是unbound类型的。create_*的接口都是为了兼容过去接口而设立的,大家可以自行理解,这里就不多说了。

 

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标签: CMWQ

评论:

deven
2017-09-21 21:32
WQ_MEM_RECLAIM对这个标记的理解有问题~
南山南
2016-01-06 16:38
4.4.0中的worker_thread好像差异很大。逻辑变化很大。
linuxer
2016-01-07 00:05
@南山南:好的,有机会仔细琢磨一下,看看有什么改动,为何改动。
chen_chuang
2016-12-02 15:38
@linuxer:确实4.4.11版本添加了pool_workqueue 和 好多枚举。希望大神在这一章加个补充~
Jacky
2015-09-15 14:13
文中Work thread 和worker thread 是一个东西吗?
linuxer
2015-09-15 14:30
@Jacky:Work thread是笔误,应该是worker thread
linuxer
2015-07-31 18:53
对于第一个问题:
CMWQ兼容旧的接口,因此也支持create_workqueue,定义如下:
#define create_workqueue(name)        alloc_workqueue("%s", WQ_MEM_RECLAIM, 1, (name))
在旧的workqueue机制中,create_workqueue意味着要创建per cpu的worker thread,对应到CMWQ中就是创建一个最大并发是1的bound workqueue。

对于第二个问题:
后续的CMWQ的文档会描述,敬请期待。
passerby
2015-07-31 15:20
前排占座,有个2个问题。
1、现在create_workqueue还在驱动中被使用(kernel 3.10),这个函数是不是被用alloc_workqueue重新实现过得?

2、按照你上面A  B  C  D 四个work的说法,感觉只有worker pool只会有一个线程会处理work,但是我在work_threader里看到,如果woker_pool->nr_idle = 0 并且 pool-nr_running != 0就会在manage_workers中创建线程,任务会并发处理。能够详细的解释下吗?

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