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外观

11、中断下半部：并发管理工作队列实验 ​

在现代软件开发中，我们经常需要同时处理多个任务。这些任务可能需要同时进行，或者按照一定顺序处理。为了更高效地管理这些任务，我们需要一种工具来帮助它们有序运行。这时候，"并发管理工作队列"就派上用场了。

一、工作队列的实现 ​

在使用工作队列时，流程通常分为三步：

  1. 先定义一个任务项（work）
  2. 把任务添加到任务队列（workqueue）里
  3. 工作线程（后台线程）会自动执行队列里的任务

当有新任务加入队列时：

  • 工作线程会取出并执行所有待处理的任务
  • 执行完毕后线程会暂停等待
  • 等到有新任务加入队列时，线程再次被唤醒执行
  • 这个过程会不断循环重复

在单核系统中： 每个CPU核心都会：

  • 自动创建一个专属的工作线程
  • 每个线程对应自己的任务队列 这样每个CPU都能独立处理自己的任务队列，避免互相干扰。这种设计让每个CPU都能高效处理自己的工作项。

在多核系统中，工作队列的设计和单核系统不一样。单核系统通常只有一个任务队列和一个线程，而多核系统会为每个核心分配一个独立的任务队列和线程。这样每个线程可以同时处理自己队列里的任务，充分利用多个核心一起干活。

当有新任务产生时，系统需要决定把它放进哪个队列。常见的做法是根据各个队列的任务量来分配，比如优先给任务少的队列加任务，避免某个队列任务太多而变慢。每个队列自己管理自己的任务，对应的线程会从自己的队列里取任务执行。这样一来，多个线程可以同时处理各自的任务，提升整体效率和响应速度。

二、什么是并发管理工作队列 ​

传统的工作队列在处理任务时存在明显不足。无论是单核还是多核系统，都存在两个主要问题：一是无法充分发挥多核处理器的性能，二是无法公平处理不同优先级的任务。为了解决这些问题，Con Kolivas提出了名为"并发管理工作队列"（CMWQ）的解决方案。

简单来说，CMWQ就像一家繁忙餐厅的点餐系统。假设你和同事一起在餐厅工作，当很多顾客同时来吃饭时：

  1. 所有点餐请求都会放进一个共享的"任务队列"里
  2. 你和同事可以同时从队列里领取任务
  3. 每个人独立完成自己的服务工作
  4. 不用等前一位顾客点完才能处理下一位

这种工作方式的好处很明显：

  • 充分利用所有服务员的能力（就像多核处理器的每个核心都能被用上）
  • 任务分配更公平（不同优先级的订单可以被合理安排）
  • 整个系统运行效率更高（顾客等待时间更短）

CMWQ的核心设计就是通过这种"多人同时取任务"的机制，让系统资源得到最佳利用。就像餐厅里多个服务员能同时处理不同订单一样，计算机的多个处理器核心也能同时处理不同任务，从而提升整体性能。这种设计让任务处理更高效、更灵活，尤其适合需要同时处理大量工作的复杂系统。

三、并发管理工作队列接口函数 ​

Linux内核中的alloc_workqueue函数用来创建工作队列。工作队列是一个管理任务执行的工具，它能安排任务在后台或同时运行，让程序不用等待任务完成就能继续执行其他操作。

C++
struct workqueue_struct *alloc_workqueue(const char *fmt, unsigned int flags, int max_active);

参数解释：

  • fmt：设置工作队列的名字格式。
  • flags：通过标志位控制队列行为，例如WQ_UNBOUND表示不绑定CPU，WQ_HIGHPRI表示高优先级等。
  • max_active：设定队列中同时处理的工作项最大数量。

函数会返回指向工作队列结构体的指针，若创建失败则返回NULL。

四、实验程序 ​

说明：

::: 硬件IO表：https://lceda001.feishu.cn/wiki/UN0pw7Y1KixKirkMh0rcP3Tandc

操作第七个管脚触发中断，对应GPIO1_A4 ::: ::: 引脚编号计算：

公式1：GPIO 小组编号计算公式：number = group * 8 + X

其中：group为小组号（A为0，B为1，C为2，D为3）

公式2：GPIO pin 脚计算公式：pin = bank * 32 + number

其中：bank 为组号，number由公式1计算得来

故：GPIO1_A4

1*32+0*8+4 = 36 :::

Makefiel:

C
export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=/home/book/rk/tspi/prebuilts/gcc/linux-x86/aarch64/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-linux-gnu-
obj-m +=interrupt.o  #此处要和你的驱动源文件同名
KDIR := /home/book/rk/tspi/kernel   #这里是你的内核目录
PWD ?= $(shell pwd)
all:
        make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules    #make#操作
clean:
        make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean    #make clean操作

驱动代码：

C++
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/workqueue.h>

int irq;
struct workqueue_struct *test_workqueue;
struct work_struct test_workqueue_work;

// 工作项处理函数
void test_work(struct work_struct *work)
{
  msleep(1000);
  printk("This is test_work\n");
}

// 中断处理函数
irqreturn_t test_interrupt(int irq, void *args)
{
  printk("This is test_interrupt\n");
  queue_work(test_workqueue, &test_workqueue_work); // 提交工作项到工作队列
  return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

static int interrupt_irq_init(void)
{
  int ret;
  irq = gpio_to_irq(36); // 将GPIO映射为中断号
  printk("irq is %d\n", irq);

  // 请求中断
  ret = request_irq(irq, test_interrupt, IRQF_TRIGGER_RISING, "test", NULL);
  if (ret < 0)
  {
    printk("request_irq is error\n");
    return -1;
  }
  // 用于创建和分配一个工作队列
  test_workqueue = alloc_workqueue("test_workqueue", WQ_UNBOUND, 0);
  INIT_WORK(&test_workqueue_work, test_work); // 初始化工作项

  return 0;
}

static void interrupt_irq_exit(void)
{
  free_irq(irq, NULL);                    // 释放中断
  cancel_work_sync(&test_workqueue_work); // 取消工作项
  flush_workqueue(test_workqueue);        // 刷新工作队列
  destroy_workqueue(test_workqueue);      // 销毁工作队列
  printk("bye bye\n");
}

module_init(interrupt_irq_init);
module_exit(interrupt_irq_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

驱动加载：insmod interrupt.ko

图 0

拉高GPIO：

图 1