linux 内核tasket机制

tasklet（tasklet，有的书中翻译为“任务蕾”）是基于软中断实现的。为什么要提供tasklet？因为tasklet相对软中断有以下优势。

（1）软中断的种类是编译时静态定义的，在运行时不能添加或删除；tasklet可以在运行时添加或删除。

（2）同一种软中断的处理函数可以在多个处理器上同时执行，处理函数必须是可以重入的，需要使用锁保护临界区；一个tasklet同一时刻只能在一个处理器上执行，不要求处理函数是可以重入的。

tasklet根据优先级分为两种：低优先级tasklet和高优先级tasklet。tasklet是通过软中断HI_SOFTIRQ和TASKLET_SOFTIRQ实现的，所以它们本身也是软中断，存放在两个单处理器数据结构：tasklet_vec和tasklet_hi_vec会在两个软中断中分别处理。

数据结构

tasklet的数据结构如下：
include/linux/interrupt.h
struct tasklet_struct
{
struct tasklet_struct *next; //链表中的下一个tasklet
unsigned long state; //tasklet的状态
atomic_t count; //禁止计数器
void (*func)(unsigned long);//tasklet处理函数
unsigned long data; //给tasklet处理函数的参数
};
成员 next 用来把tasklet添加到单向链表中。
成员 state 是tasklet的状态，取值如下。
（1） 0：tasklet没有被调度。
（2） (1 << TASKLET_STATE_SCHED)：tasklet被调度，即将被执行。
（3） (1 << TASKLET_STATE_RUN)：只在多处理器系统中使用，表示tasklet正在执行。成员 count 是计数， 0 表示允许tasklet被执行，非零值表示禁止tasklet被执行。成员 func 是处理函数，成员 data 是传给处理函数的参数。
每个处理器有两条单向链表：低优先级tasklet链表和高优先级tasklet链表。
kernel/softirq.c
struct tasklet_head {
struct tasklet_struct *head;
struct tasklet_struct **tail;
};
static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_vec);
static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_hi_vec);

编程接口

定义一个静态的tasklet，并且允许tasklet被执行，方法如下：
DECLARE_TASKLET(name, func, data)

定义一个静态的tasklet，并且禁止tasklet被执行，方法如下：
DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data)

在运行时动态初始化tasklet，并且允许tasklet被执行，方法如下：
void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, void (*func)(unsigned long), unsigned long data);

函数 tasklet_disable()用来禁止tasklet被执行，如果tasklet正在被执行，该函数等待tasklet执行完。
void tasklet_disable(struct tasklet_struct *t);

函数 tasklet_disable_nosync()用来禁止tasklet被执行，如果tasklet正在被执行，该函数不会等待tasklet执行完。
void tasklet_disable_nosync(struct tasklet_struct *t);

函数 tasklet_enable()用来允许tasklet被执行。
void tasklet_enable(struct tasklet_struct *t);

函数 tasklet_schedule()用来调度低优先级tasklet：把tasklet添加到当前处理器的低优先级tasklet链表中，并且触发低优先级tasklet软中断。
void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);

函数 tasklet_hi_schedule()用来调度高优先级tasklet：把tasklet添加到当前处理器的高优先级tasklet链表的尾部，并且触发高优先级tasklet软中断。
void tasklet_hi_schedule(struct tasklet_struct *t);

函数 tasklet_hi_schedule_first()用来调度高优先级tasklet：把tasklet添加到当前处理器的高优先级tasklet链表的首部，并且触发高优先级tasklet软中断。
void tasklet_hi_schedule_first(struct tasklet_struct *t);

函数 tasklet_kill()用来杀死tasklet，确保tasklet不会被调度和执行。如果tasklet正在被执行，该函数等待tasklet执行完。通常在卸载内核模块的时候调用该函数。
void tasklet_kill(struct tasklet_struct *t);

技术原理

tasklet是基于软中断实现的，根据优先级分为两种：低优先级tasklet和高优先级tasklet。软中断 HI_SOFTIRQ 执行高优先级tasklet，软中断 TASKLET_SOFTIRQ 执行低优先级tasklet。
（1）调度tasklet。
函数 tasklet_schedule()用来调度低优先级tasklet，函数 tasklet_hi_schedule()用来调度高优先级tasklet。以函数 tasklet_schedule()为例说明，其代码如下：
include/linux/interrupt.h
static inline void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
{
if (!test_and_set_bit(TASKLET_STATE_SCHED, &t->state))
__tasklet_schedule(t);
}
kernel/softirq.c
void __tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)
{
unsigned long flags;
local_irq_save(flags);
t->next = NULL;
*__this_cpu_read(tasklet_vec.tail) = t;
__this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &(t->next));
raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
local_irq_restore(flags);
}
如果tasklet没有被调度过，那么首先设置调度标志位，然后把tasklet添加到当前处理器的低优先级tasklet链表的尾部，最后触发软中断 TASKLET_SOFTIRQ。
（2）执行tasklet。
初始化的时候，把软中断 TASKLET_SOFTIRQ 的处理函数注册为函数 tasklet_action，把软中断 HI_SOFTIRQ 的处理函数注册为函数 tasklet_hi_action。
kernel/softirq.c
void __init softirq_init(void)
{
…
open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
}
以函数 tasklet_action()为例说明，其代码如下：
kernel/softirq.c
1 static __latent_entropy void tasklet_action(struct softirq_action *a)
2 {
3 struct tasklet_struct *list;
4
5 local_irq_disable();
6 list = __this_cpu_read(tasklet_vec.head);
7 __this_cpu_write(tasklet_vec.head, NULL);
8 __this_cpu_write(tasklet_vec.tail, this_cpu_ptr(&tasklet_vec.head));
9 local_irq_enable();
10
11 while (list) {
12 struct tasklet_struct *t = list;
13
14 list = list->next;
15
16 if (tasklet_trylock(t)) {
17 if (!atomic_read(&t->count)) {
18 if (!test_and_clear_bit(TASKLET_STATE_SCHED,
19 &t->state))
20 BUG();
21 t->func(t->data);
22 tasklet_unlock(t);
23 continue;
24 }
25 tasklet_unlock(t);
26 }
27
28 local_irq_disable();
29 t->next = NULL;
30 *__this_cpu_read(tasklet_vec.tail) = t;
31 __this_cpu_write(tasklet_vec.tail, &(t->next));
32 __raise_softirq_irqoff(TASKLET_SOFTIRQ);
33 local_irq_enable();
34 }
35 }

第 6～8 行代码，把当前处理器的低优先级tasklet链表中的所有tasklet移到临时链表list 中。
第 11 行代码，遍历临时链表 list，依次处理每个tasklet，如下。
1）第 16 行代码，尝试锁住tasklet，确保一个tasklet同一时刻只在一个处理器上执行。
2）第 17 行代码，如果tasklet的计数为 0，表示允许tasklet被执行。
3）第 18 行代码，清除tasklet的调度标志位，其他处理器可以调度这个tasklet，但是不能执行这个tasklet。
4）第 21 行代码，执行tasklet的处理函数。
5）第 22 行代码，释放tasklet的锁，其他处理器就可以执行这个tasklet了。
6）第 29～32 行代码，如果尝试锁住tasklet失败（表示tasklet正在其他处理器上执行），或者禁止tasklet被执行，那么把tasklet重新添加到当前处理器的低优先级tasklet链表的尾部，然后触发软中断 TASKLET_SOFTIRQ。

tasklet的简单用法

下面是tasklet的一个简单应用, 以模块的形成加载。
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/interrupt.h>

static struct tasklet_struct my_tasklet;
static void tasklet_handler (unsigned long data)
{
printk(KERN_ALERT "tasklet_handler is running.\n");
}

static int __init test_init(void)
{
tasklet_init(&my_tasklet, tasklet_handler, 0);
tasklet_schedule(&my_tasklet);
return 0;
}

static void __exit test_exit(void)
{
tasklet_kill(&my_tasklet);
printk(KERN_ALERT "test_exit running.\n");
}
MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

从这个例子可以看出，所谓的tasklet机制是为下半部函数的执行提供了一种执行机制，也就是说，推迟处理的事情是由tasklet_handler实现，何时执行，经由tasklet机制封装后交给内核去处理。