Concurrency Managed Workqueue(二)CMWQ概述

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：

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。