tasklet

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#struct #action #list #properties #数据结构

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本文深入解析了Linux内核中的Tasklet机制，包括其数据结构、调度机制、执行流程及使用方法。介绍了Tasklet如何利用软中断实现延时执行任务，以及如何在设备驱动程序中应用。

tasklet 和 workqueue 是延期执行工作的机制，其实现基于 软中断。它们更易于使用，更适合设备驱动程序。

ISR（中断服务程序）分为上半部（top half）和下半部（bottom half）。

下半部负责执行非时间关键操作。 tasklet就是一种下半部实现方式。
tasklet有两个软中断代表： HI_SOFTIRQ 和 TASKLET_SOFTIRQ. 两者的区别是HI_SOFTIRQ 优先级高于 TASKLET_SOFTIRQ.

1. 创建tasklet

tasklet的数据结构 tasklet_struct:

    /* Tasklets --- multithreaded analogue of BHs.
       Main feature differing them of generic softirqs: tasklet
       is running only on one CPU simultaneously.
       Main feature differing them of BHs: different tasklets
       may be run simultaneously on different CPUs.
       Properties:
       * If tasklet_schedule() is called, then tasklet is guaranteed
         to be executed on some cpu at least once after this.
       * If the tasklet is already scheduled, but its excecution is still not
         started, it will be executed only once.
       * If this tasklet is already running on another CPU (or schedule is called
         from tasklet itself), it is rescheduled for later.
       * Tasklet is strictly serialized wrt itself, but not
         wrt another tasklets. If client needs some intertask synchronization,
         he makes it with spinlocks.
     */
    struct tasklet_struct
    {
        struct tasklet_struct *next;  //指针，指向下一个tasklet，用来创建tasklet_struct实例的链表。
        unsigned long state;          //任务当前的状态。
        atomic_t count;               //原子计数器，用于禁用已经调用的tasklet。       
        void (*func)(unsigned long);   //这个最重要，指向一个函数地址，该函数的执行将被延期。
        unsigned long data;            //传递给 func 函数的参数。
    };

--- state 成员只能在0， TASKLET_STATE_SCHED 和 TASKLET_STATE_RUN 这3个中取值。

TASKLET_STATE_SCHED --- 表示 tasklet 已经被调度，正准备投入运行。

TASKLET_STATE_RUN --- 表示 tasklet 正在运行，TASKLET_STATE_RUN 只有在多处理器的系统中才会作为一种优化来使用；单处理器系统在任何时刻都知道单个tasklet 是不是正在运行。

--- count 是 tasklet 的引用计数. 如果它不为0，则 tasklet 被禁止，不允许执行；只有当 count = 0 时，tasklet 才被激活，并且设置为挂起状态（pending），该 tasklet 才能执行。

2. 调度tasklet, tasklet_schedule()：

2.1 已调度的 tasklet （等同于被触发的软中断）存放于两个单处理器（per-cpu）的数据结构中：

--- tasklet_vec : 普通的 tasklet。

--- tasklet_hi_vec：高优先级的tasklet。

这两个数据结构，相当于软中断的 softirq_vec[]数组，只不过这两个数据结构是两个链表，定义如下：

static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_vec);
static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_hi_vec);

/*
 * Tasklets
 */
struct tasklet_head
{
	struct tasklet_struct *head;
	struct tasklet_struct **tail;
};

这两个数据结构都是由 tasklet_struct 结构体构成的链表，链表中每个 tasklet_struct 代表一个不同的 tasklet。
2.2 tasklet 由 tasklet_schedule() 和 tasklet_hi_schedule() 函数进行调度。他们的参数是一个指向 tasklet_struct 结构的指针。

    extern void FASTCALL(__tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t));
    static inline void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
    {
        if (!test_and_set_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state)) //检查 tasklet 状态是否为TASKLET_STATE_SCHED,如果是，说明tasklet已经被调度过了，函数立即返回
            __tasklet_schedule(t);                             //如果不是，则调用__tasklet_schedule()
    }

如果设置了TASKLET_STATE_SCHED标志位，则注册结束，表示该tasklet注册过了。

    void fastcall __tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
    {
        unsigned long flags;
        local_irq_save(flags);                //保存中断标志，并禁止本地中断
        t->next = __get_cpu_var(tasklet_vec).list;  //把需要调度的tasklet t 添加到每个处理器的tasklet_vec 或tasklet_hi_vec 链表上。
        __get_cpu_var(tasklet_vec).list = t;
        raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);    //触发 tasklet 软中断，即调用do_softirq()
        local_irq_restore(flags);                 //还原中断现场，并使能本地中断
    }

3.执行tasklet

tasklet关联到TASKLET_SOFTIRQ软中断，调用raise_softirq(TASKLET_SOFTIRQ),即可在下一个适当的时机执行当前处理器的tasklet。

内核使用tasklet_action作为action函数：

static void tasklet_action(struct softirq_action *a)
{
	struct tasklet_struct *list;

	local_irq_disable();    //禁止本地中断，不需要保存中断状态，因为这里的代码总是被软中断调用，而且中断总是被激活的
	list = __get_cpu_var(tasklet_vec).head;  //检索当前处理器的tasklet_vec 或 tasklet_hi_vec链表.
	__get_cpu_var(tasklet_vec).head = NULL;   //将当前处理器上的该链表设置为NULL， 达到清空的效果
	__get_cpu_var(tasklet_vec).tail = &__get_cpu_var(tasklet_vec).head;
	local_irq_enable();     //允许响应中断。

	while (list) {  //遍历链表上的每个待处理的tasklet_struct
		struct tasklet_struct *t = list;

		list = list->next;

		if (tasklet_trylock(t)) {  //上锁，就是t->state 状态置为 TASKLET_STATE_RUN, 见后面两个函数
			if (!atomic_read(&t->count)) {  //检查count 值是否为0，确保tasklet 没有被禁止，如果禁止了，则跳过，进入下一个tasklet_struct.
				if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
					BUG();
				t->func(t->data);   //运行中断处理函数
				tasklet_unlock(t);
				continue;
			}
			tasklet_unlock(t); //解锁就是，清空 t->state 的 TASKLET_STATE_RUN 状态.
		}

		local_irq_disable();
		t->next = NULL;
		*__get_cpu_var(tasklet_vec).tail = t;
		__get_cpu_var(tasklet_vec).tail = &(t->next);
		__raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
		local_irq_enable();
	}
}

一个tasklet只能在一个处理器上执行一次，但其他的tasklet可以并行运行， 所以需要特定的tasklet锁，state状态用作锁变量。

在执行一个tasklet处理函数之前，内核使用tasklet_trylock() 检查tasklet的状态是否为TASKLET_STATE_RUN. 即检查是否已在另一个处理器上运行。

    static inline int tasklet_trylock(struct tasklet_struct *t)
    {
        return !test_and_set_bit(TASKLET_STATE_RUN, &(t)->state);
    }

解tasklet锁：

    static inline void tasklet_unlock(struct tasklet_struct *t)
    {
        smp_mb__before_clear_bit();
        clear_bit(TASKLET_STATE_RUN, &(t)->state);
    }

可以看出 tasklet 通过运用 HI_SOFTIRQ 和 TASKLET_SOFTIRQ 这两个软中断实现。

当一个tasklet被调度时，内核就会唤起这两个软中断中的一个，随后，该软中断会被特定函数do_irq()处理，执行所有已调度的tasklet。

4. 较高优先级的tasklet，HI_SOFTIRQ

除了普通的tasklet，内核还是用了另一种tasklet，它具有更高的优先级：

a. 它使用HI_SOFTIRQ 作为软中断，而不是TASKLET_SOFTIRQ，相关的action是tasklet_hi_action.

b. 注册的tasklet在CPU相关的变量tasklet_hi_vec中排队，这是使用tasklet_hi_schedule()完成的。

5. 使用 tasklet：

5.1 声明及初始化自己的 tasklet:

静态创建 tasklet:

#define DECLARE_TASKLET(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(0), func, data }  //引用计数为0，tasklet 处于激活状态。

#define DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(1), func, data }   //引用计数count = 1， tasklet处于禁止状态。

这两个宏都能静态的创建一个 tasklet_struct 结构，

例：

DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_handler, dev);

动态创建 tasklet:

struct tasklet_struct my_tasklet = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(0),
                                     my_tasklet_handler, dev};

这样就创建了一个名为 my_tasklet，处理程序为tasklet_handler，并且是已被激活了的tasklet。

当处理程序被调用时， dev就会被传递给 tasklet_handler 函数。

还可以使用 tasklet_init(),来动态的初始化 tasklet_struct:

void tasklet_init(struct tasklet_struct *t,
		  void (*func)(unsigned long), unsigned long data)
{
	t->next = NULL;
	t->state = 0;
	atomic_set(&t->count, 0);
	t->func = func;
	t->data = data;
}

如 tasklet_init(t, tasklet_handler, dev); //动态的创建一个tasklet。
5.2 编写 tasklet 处理函数：

void tasklet_handler(unsigned long data);

因为是靠软中断实现的，所以tasklet 不能睡眠，这意味着不能再tasklet 中使用信号量或者其他阻塞式的函数。

由于tasklet运行时，允许响应中断，所以如果tasklet和中断处理函数之间共享了某些数据的话，必须进行适当的锁保护。

同一个tasklet绝不会两个CPU上同时执行，这点和软中断不一样，但是两个不同的tasklet可以在两个处理器上同时执行。

如果一个tasklet和其他的tasklet或者软中断共享了数据，必须进行适当的锁保护。如spin_lock()

5.3 调度 tasklet　--- tasklet_schedule()

例:

tasklet_schedule(&my_tasklet);   //把 my_tasklet 标记为挂起pending。

中断中使用tasklet_schedule时，记住，中断服务程序的返回值要改成： IRQ_NONE

中断服务程序结束，返回值如下：

/*
 * For 2.4.x compatibility, 2.4.x can use
 *
 *      typedef void irqreturn_t;
 *      #define IRQ_NONE
 *      #define IRQ_HANDLED
 *      #define IRQ_RETVAL(x)
 *
 * To mix old-style and new-style irq handler returns.
 *
 * IRQ_NONE means we didn't handle it.
 * IRQ_HANDLED means that we did have a valid interrupt and handled it.
 * IRQ_RETVAL(x) selects on the two depending on x being non-zero (for handled)
 */
typedef int irqreturn_t;

#define IRQ_NONE        (0)
#define IRQ_HANDLED     (1)
#define IRQ_RETVAL(x)   ((x) != 0)

IRQ_NONE 才会让下半部去运行，如果写了IRQ_HANDLED, 下半部就不会运行咯。

禁止某个指定的tasklet --- tasklet_disable(),定义如下：

static inline void tasklet_disable(struct tasklet_struct *t)  
{
	tasklet_disable_nosync(t);
	tasklet_unlock_wait(t);
	smp_mb();
}

static inline void tasklet_disable_nosync(struct tasklet_struct *t)
{
	atomic_inc(&t->count);   //count + 1 to diasble tasklet
        smp_mb__after_atomic_inc();
}

激活一个tasklet --- tasklet_enable():

static inline void tasklet_enable(struct tasklet_struct *t)
{
	smp_mb__before_atomic_dec();
	atomic_dec(&t->count);
}

从挂起的队列中去掉一个tasklet --- tasklet_kill():

void tasklet_kill(struct tasklet_struct *t)
{
	if (in_interrupt())
		printk("Attempt to kill tasklet from interrupt\n");

	while (test_and_set_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state)) {
		do {
			yield();
		} while (test_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state));
	}
	tasklet_unlock_wait(t);
	clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state);
}

EXPORT_SYMBOL(tasklet_kill);