c73a6df6a1187786f9d5922115d3162d166da300
[platform/kernel/linux-starfive.git] / Documentation / core-api / workqueue.rst
1 ====================================
2 Concurrency Managed Workqueue (cmwq)
3 ====================================
4
5 :Date: September, 2010
6 :Author: Tejun Heo <tj@kernel.org>
7 :Author: Florian Mickler <florian@mickler.org>
8
9
10 Introduction
11 ============
12
13 There are many cases where an asynchronous process execution context
14 is needed and the workqueue (wq) API is the most commonly used
15 mechanism for such cases.
16
17 When such an asynchronous execution context is needed, a work item
18 describing which function to execute is put on a queue.  An
19 independent thread serves as the asynchronous execution context.  The
20 queue is called workqueue and the thread is called worker.
21
22 While there are work items on the workqueue the worker executes the
23 functions associated with the work items one after the other.  When
24 there is no work item left on the workqueue the worker becomes idle.
25 When a new work item gets queued, the worker begins executing again.
26
27
28 Why cmwq?
29 =========
30
31 In the original wq implementation, a multi threaded (MT) wq had one
32 worker thread per CPU and a single threaded (ST) wq had one worker
33 thread system-wide.  A single MT wq needed to keep around the same
34 number of workers as the number of CPUs.  The kernel grew a lot of MT
35 wq users over the years and with the number of CPU cores continuously
36 rising, some systems saturated the default 32k PID space just booting
37 up.
38
39 Although MT wq wasted a lot of resource, the level of concurrency
40 provided was unsatisfactory.  The limitation was common to both ST and
41 MT wq albeit less severe on MT.  Each wq maintained its own separate
42 worker pool.  An MT wq could provide only one execution context per CPU
43 while an ST wq one for the whole system.  Work items had to compete for
44 those very limited execution contexts leading to various problems
45 including proneness to deadlocks around the single execution context.
46
47 The tension between the provided level of concurrency and resource
48 usage also forced its users to make unnecessary tradeoffs like libata
49 choosing to use ST wq for polling PIOs and accepting an unnecessary
50 limitation that no two polling PIOs can progress at the same time.  As
51 MT wq don't provide much better concurrency, users which require
52 higher level of concurrency, like async or fscache, had to implement
53 their own thread pool.
54
55 Concurrency Managed Workqueue (cmwq) is a reimplementation of wq with
56 focus on the following goals.
57
58 * Maintain compatibility with the original workqueue API.
59
60 * Use per-CPU unified worker pools shared by all wq to provide
61   flexible level of concurrency on demand without wasting a lot of
62   resource.
63
64 * Automatically regulate worker pool and level of concurrency so that
65   the API users don't need to worry about such details.
66
67
68 The Design
69 ==========
70
71 In order to ease the asynchronous execution of functions a new
72 abstraction, the work item, is introduced.
73
74 A work item is a simple struct that holds a pointer to the function
75 that is to be executed asynchronously.  Whenever a driver or subsystem
76 wants a function to be executed asynchronously it has to set up a work
77 item pointing to that function and queue that work item on a
78 workqueue.
79
80 Special purpose threads, called worker threads, execute the functions
81 off of the queue, one after the other.  If no work is queued, the
82 worker threads become idle.  These worker threads are managed in so
83 called worker-pools.
84
85 The cmwq design differentiates between the user-facing workqueues that
86 subsystems and drivers queue work items on and the backend mechanism
87 which manages worker-pools and processes the queued work items.
88
89 There are two worker-pools, one for normal work items and the other
90 for high priority ones, for each possible CPU and some extra
91 worker-pools to serve work items queued on unbound workqueues - the
92 number of these backing pools is dynamic.
93
94 Subsystems and drivers can create and queue work items through special
95 workqueue API functions as they see fit. They can influence some
96 aspects of the way the work items are executed by setting flags on the
97 workqueue they are putting the work item on. These flags include
98 things like CPU locality, concurrency limits, priority and more.  To
99 get a detailed overview refer to the API description of
100 ``alloc_workqueue()`` below.
101
102 When a work item is queued to a workqueue, the target worker-pool is
103 determined according to the queue parameters and workqueue attributes
104 and appended on the shared worklist of the worker-pool.  For example,
105 unless specifically overridden, a work item of a bound workqueue will
106 be queued on the worklist of either normal or highpri worker-pool that
107 is associated to the CPU the issuer is running on.
108
109 For any worker pool implementation, managing the concurrency level
110 (how many execution contexts are active) is an important issue.  cmwq
111 tries to keep the concurrency at a minimal but sufficient level.
112 Minimal to save resources and sufficient in that the system is used at
113 its full capacity.
114
115 Each worker-pool bound to an actual CPU implements concurrency
116 management by hooking into the scheduler.  The worker-pool is notified
117 whenever an active worker wakes up or sleeps and keeps track of the
118 number of the currently runnable workers.  Generally, work items are
119 not expected to hog a CPU and consume many cycles.  That means
120 maintaining just enough concurrency to prevent work processing from
121 stalling should be optimal.  As long as there are one or more runnable
122 workers on the CPU, the worker-pool doesn't start execution of a new
123 work, but, when the last running worker goes to sleep, it immediately
124 schedules a new worker so that the CPU doesn't sit idle while there
125 are pending work items.  This allows using a minimal number of workers
126 without losing execution bandwidth.
127
128 Keeping idle workers around doesn't cost other than the memory space
129 for kthreads, so cmwq holds onto idle ones for a while before killing
130 them.
131
132 For unbound workqueues, the number of backing pools is dynamic.
133 Unbound workqueue can be assigned custom attributes using
134 ``apply_workqueue_attrs()`` and workqueue will automatically create
135 backing worker pools matching the attributes.  The responsibility of
136 regulating concurrency level is on the users.  There is also a flag to
137 mark a bound wq to ignore the concurrency management.  Please refer to
138 the API section for details.
139
140 Forward progress guarantee relies on that workers can be created when
141 more execution contexts are necessary, which in turn is guaranteed
142 through the use of rescue workers.  All work items which might be used
143 on code paths that handle memory reclaim are required to be queued on
144 wq's that have a rescue-worker reserved for execution under memory
145 pressure.  Else it is possible that the worker-pool deadlocks waiting
146 for execution contexts to free up.
147
148
149 Application Programming Interface (API)
150 =======================================
151
152 ``alloc_workqueue()`` allocates a wq.  The original
153 ``create_*workqueue()`` functions are deprecated and scheduled for
154 removal.  ``alloc_workqueue()`` takes three arguments - ``@name``,
155 ``@flags`` and ``@max_active``.  ``@name`` is the name of the wq and
156 also used as the name of the rescuer thread if there is one.
157
158 A wq no longer manages execution resources but serves as a domain for
159 forward progress guarantee, flush and work item attributes. ``@flags``
160 and ``@max_active`` control how work items are assigned execution
161 resources, scheduled and executed.
162
163
164 ``flags``
165 ---------
166
167 ``WQ_UNBOUND``
168   Work items queued to an unbound wq are served by the special
169   worker-pools which host workers which are not bound to any
170   specific CPU.  This makes the wq behave as a simple execution
171   context provider without concurrency management.  The unbound
172   worker-pools try to start execution of work items as soon as
173   possible.  Unbound wq sacrifices locality but is useful for
174   the following cases.
175
176   * Wide fluctuation in the concurrency level requirement is
177     expected and using bound wq may end up creating large number
178     of mostly unused workers across different CPUs as the issuer
179     hops through different CPUs.
180
181   * Long running CPU intensive workloads which can be better
182     managed by the system scheduler.
183
184 ``WQ_FREEZABLE``
185   A freezable wq participates in the freeze phase of the system
186   suspend operations.  Work items on the wq are drained and no
187   new work item starts execution until thawed.
188
189 ``WQ_MEM_RECLAIM``
190   All wq which might be used in the memory reclaim paths **MUST**
191   have this flag set.  The wq is guaranteed to have at least one
192   execution context regardless of memory pressure.
193
194 ``WQ_HIGHPRI``
195   Work items of a highpri wq are queued to the highpri
196   worker-pool of the target cpu.  Highpri worker-pools are
197   served by worker threads with elevated nice level.
198
199   Note that normal and highpri worker-pools don't interact with
200   each other.  Each maintains its separate pool of workers and
201   implements concurrency management among its workers.
202
203 ``WQ_CPU_INTENSIVE``
204   Work items of a CPU intensive wq do not contribute to the
205   concurrency level.  In other words, runnable CPU intensive
206   work items will not prevent other work items in the same
207   worker-pool from starting execution.  This is useful for bound
208   work items which are expected to hog CPU cycles so that their
209   execution is regulated by the system scheduler.
210
211   Although CPU intensive work items don't contribute to the
212   concurrency level, start of their executions is still
213   regulated by the concurrency management and runnable
214   non-CPU-intensive work items can delay execution of CPU
215   intensive work items.
216
217   This flag is meaningless for unbound wq.
218
219
220 ``max_active``
221 --------------
222
223 ``@max_active`` determines the maximum number of execution contexts per
224 CPU which can be assigned to the work items of a wq. For example, with
225 ``@max_active`` of 16, at most 16 work items of the wq can be executing
226 at the same time per CPU. This is always a per-CPU attribute, even for
227 unbound workqueues.
228
229 The maximum limit for ``@max_active`` is 512 and the default value used
230 when 0 is specified is 256. These values are chosen sufficiently high
231 such that they are not the limiting factor while providing protection in
232 runaway cases.
233
234 The number of active work items of a wq is usually regulated by the
235 users of the wq, more specifically, by how many work items the users
236 may queue at the same time.  Unless there is a specific need for
237 throttling the number of active work items, specifying '0' is
238 recommended.
239
240 Some users depend on the strict execution ordering of ST wq.  The
241 combination of ``@max_active`` of 1 and ``WQ_UNBOUND`` used to
242 achieve this behavior.  Work items on such wq were always queued to the
243 unbound worker-pools and only one work item could be active at any given
244 time thus achieving the same ordering property as ST wq.
245
246 In the current implementation the above configuration only guarantees
247 ST behavior within a given NUMA node. Instead ``alloc_ordered_queue()`` should
248 be used to achieve system-wide ST behavior.
249
250
251 Example Execution Scenarios
252 ===========================
253
254 The following example execution scenarios try to illustrate how cmwq
255 behave under different configurations.
256
257  Work items w0, w1, w2 are queued to a bound wq q0 on the same CPU.
258  w0 burns CPU for 5ms then sleeps for 10ms then burns CPU for 5ms
259  again before finishing.  w1 and w2 burn CPU for 5ms then sleep for
260  10ms.
261
262 Ignoring all other tasks, works and processing overhead, and assuming
263 simple FIFO scheduling, the following is one highly simplified version
264 of possible sequences of events with the original wq. ::
265
266  TIME IN MSECS  EVENT
267  0              w0 starts and burns CPU
268  5              w0 sleeps
269  15             w0 wakes up and burns CPU
270  20             w0 finishes
271  20             w1 starts and burns CPU
272  25             w1 sleeps
273  35             w1 wakes up and finishes
274  35             w2 starts and burns CPU
275  40             w2 sleeps
276  50             w2 wakes up and finishes
277
278 And with cmwq with ``@max_active`` >= 3, ::
279
280  TIME IN MSECS  EVENT
281  0              w0 starts and burns CPU
282  5              w0 sleeps
283  5              w1 starts and burns CPU
284  10             w1 sleeps
285  10             w2 starts and burns CPU
286  15             w2 sleeps
287  15             w0 wakes up and burns CPU
288  20             w0 finishes
289  20             w1 wakes up and finishes
290  25             w2 wakes up and finishes
291
292 If ``@max_active`` == 2, ::
293
294  TIME IN MSECS  EVENT
295  0              w0 starts and burns CPU
296  5              w0 sleeps
297  5              w1 starts and burns CPU
298  10             w1 sleeps
299  15             w0 wakes up and burns CPU
300  20             w0 finishes
301  20             w1 wakes up and finishes
302  20             w2 starts and burns CPU
303  25             w2 sleeps
304  35             w2 wakes up and finishes
305
306 Now, let's assume w1 and w2 are queued to a different wq q1 which has
307 ``WQ_CPU_INTENSIVE`` set, ::
308
309  TIME IN MSECS  EVENT
310  0              w0 starts and burns CPU
311  5              w0 sleeps
312  5              w1 and w2 start and burn CPU
313  10             w1 sleeps
314  15             w2 sleeps
315  15             w0 wakes up and burns CPU
316  20             w0 finishes
317  20             w1 wakes up and finishes
318  25             w2 wakes up and finishes
319
320
321 Guidelines
322 ==========
323
324 * Do not forget to use ``WQ_MEM_RECLAIM`` if a wq may process work
325   items which are used during memory reclaim.  Each wq with
326   ``WQ_MEM_RECLAIM`` set has an execution context reserved for it.  If
327   there is dependency among multiple work items used during memory
328   reclaim, they should be queued to separate wq each with
329   ``WQ_MEM_RECLAIM``.
330
331 * Unless strict ordering is required, there is no need to use ST wq.
332
333 * Unless there is a specific need, using 0 for @max_active is
334   recommended.  In most use cases, concurrency level usually stays
335   well under the default limit.
336
337 * A wq serves as a domain for forward progress guarantee
338   (``WQ_MEM_RECLAIM``, flush and work item attributes.  Work items
339   which are not involved in memory reclaim and don't need to be
340   flushed as a part of a group of work items, and don't require any
341   special attribute, can use one of the system wq.  There is no
342   difference in execution characteristics between using a dedicated wq
343   and a system wq.
344
345 * Unless work items are expected to consume a huge amount of CPU
346   cycles, using a bound wq is usually beneficial due to the increased
347   level of locality in wq operations and work item execution.
348
349
350 Affinity Scopes
351 ===============
352
353 An unbound workqueue groups CPUs according to its affinity scope to improve
354 cache locality. For example, if a workqueue is using the default affinity
355 scope of "cache", it will group CPUs according to last level cache
356 boundaries. A work item queued on the workqueue will be assigned to a worker
357 on one of the CPUs which share the last level cache with the issuing CPU.
358 Once started, the worker may or may not be allowed to move outside the scope
359 depending on the ``affinity_strict`` setting of the scope.
360
361 Workqueue currently supports the following five affinity scopes.
362
363 ``cpu``
364   CPUs are not grouped. A work item issued on one CPU is processed by a
365   worker on the same CPU. This makes unbound workqueues behave as per-cpu
366   workqueues without concurrency management.
367
368 ``smt``
369   CPUs are grouped according to SMT boundaries. This usually means that the
370   logical threads of each physical CPU core are grouped together.
371
372 ``cache``
373   CPUs are grouped according to cache boundaries. Which specific cache
374   boundary is used is determined by the arch code. L3 is used in a lot of
375   cases. This is the default affinity scope.
376
377 ``numa``
378   CPUs are grouped according to NUMA bounaries.
379
380 ``system``
381   All CPUs are put in the same group. Workqueue makes no effort to process a
382   work item on a CPU close to the issuing CPU.
383
384 The default affinity scope can be changed with the module parameter
385 ``workqueue.default_affinity_scope`` and a specific workqueue's affinity
386 scope can be changed using ``apply_workqueue_attrs()``.
387
388 If ``WQ_SYSFS`` is set, the workqueue will have the following affinity scope
389 related interface files under its ``/sys/devices/virtual/WQ_NAME/``
390 directory.
391
392 ``affinity_scope``
393   Read to see the current affinity scope. Write to change.
394
395 ``affinity_strict``
396   0 by default indicating that affinity scopes are not strict. When a work
397   item starts execution, workqueue makes a best-effort attempt to ensure
398   that the worker is inside its affinity scope, which is called
399   repatriation. Once started, the scheduler is free to move the worker
400   anywhere in the system as it sees fit. This enables benefiting from scope
401   locality while still being able to utilize other CPUs if necessary and
402   available.
403
404   If set to 1, all workers of the scope are guaranteed always to be in the
405   scope. This may be useful when crossing affinity scopes has other
406   implications, for example, in terms of power consumption or workload
407   isolation. Strict NUMA scope can also be used to match the workqueue
408   behavior of older kernels.
409
410
411 Examining Configuration
412 =======================
413
414 Use tools/workqueue/wq_dump.py to examine unbound CPU affinity
415 configuration, worker pools and how workqueues map to the pools: ::
416
417   $ tools/workqueue/wq_dump.py
418   Affinity Scopes
419   ===============
420   wq_unbound_cpumask=0000000f
421
422   CPU
423     nr_pods  4
424     pod_cpus [0]=00000001 [1]=00000002 [2]=00000004 [3]=00000008
425     pod_node [0]=0 [1]=0 [2]=1 [3]=1
426     cpu_pod  [0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3
427
428   SMT
429     nr_pods  4
430     pod_cpus [0]=00000001 [1]=00000002 [2]=00000004 [3]=00000008
431     pod_node [0]=0 [1]=0 [2]=1 [3]=1
432     cpu_pod  [0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3
433
434   CACHE (default)
435     nr_pods  2
436     pod_cpus [0]=00000003 [1]=0000000c
437     pod_node [0]=0 [1]=1
438     cpu_pod  [0]=0 [1]=0 [2]=1 [3]=1
439
440   NUMA
441     nr_pods  2
442     pod_cpus [0]=00000003 [1]=0000000c
443     pod_node [0]=0 [1]=1
444     cpu_pod  [0]=0 [1]=0 [2]=1 [3]=1
445
446   SYSTEM
447     nr_pods  1
448     pod_cpus [0]=0000000f
449     pod_node [0]=-1
450     cpu_pod  [0]=0 [1]=0 [2]=0 [3]=0
451
452   Worker Pools
453   ============
454   pool[00] ref= 1 nice=  0 idle/workers=  4/  4 cpu=  0
455   pool[01] ref= 1 nice=-20 idle/workers=  2/  2 cpu=  0
456   pool[02] ref= 1 nice=  0 idle/workers=  4/  4 cpu=  1
457   pool[03] ref= 1 nice=-20 idle/workers=  2/  2 cpu=  1
458   pool[04] ref= 1 nice=  0 idle/workers=  4/  4 cpu=  2
459   pool[05] ref= 1 nice=-20 idle/workers=  2/  2 cpu=  2
460   pool[06] ref= 1 nice=  0 idle/workers=  3/  3 cpu=  3
461   pool[07] ref= 1 nice=-20 idle/workers=  2/  2 cpu=  3
462   pool[08] ref=42 nice=  0 idle/workers=  6/  6 cpus=0000000f
463   pool[09] ref=28 nice=  0 idle/workers=  3/  3 cpus=00000003
464   pool[10] ref=28 nice=  0 idle/workers= 17/ 17 cpus=0000000c
465   pool[11] ref= 1 nice=-20 idle/workers=  1/  1 cpus=0000000f
466   pool[12] ref= 2 nice=-20 idle/workers=  1/  1 cpus=00000003
467   pool[13] ref= 2 nice=-20 idle/workers=  1/  1 cpus=0000000c
468
469   Workqueue CPU -> pool
470   =====================
471   [    workqueue \ CPU              0  1  2  3 dfl]
472   events                   percpu   0  2  4  6
473   events_highpri           percpu   1  3  5  7
474   events_long              percpu   0  2  4  6
475   events_unbound           unbound  9  9 10 10  8
476   events_freezable         percpu   0  2  4  6
477   events_power_efficient   percpu   0  2  4  6
478   events_freezable_power_  percpu   0  2  4  6
479   rcu_gp                   percpu   0  2  4  6
480   rcu_par_gp               percpu   0  2  4  6
481   slub_flushwq             percpu   0  2  4  6
482   netns                    ordered  8  8  8  8  8
483   ...
484
485 See the command's help message for more info.
486
487
488 Monitoring
489 ==========
490
491 Use tools/workqueue/wq_monitor.py to monitor workqueue operations: ::
492
493   $ tools/workqueue/wq_monitor.py events
494                               total  infl  CPUtime  CPUhog CMW/RPR  mayday rescued
495   events                      18545     0      6.1       0       5       -       -
496   events_highpri                  8     0      0.0       0       0       -       -
497   events_long                     3     0      0.0       0       0       -       -
498   events_unbound              38306     0      0.1       -       7       -       -
499   events_freezable                0     0      0.0       0       0       -       -
500   events_power_efficient      29598     0      0.2       0       0       -       -
501   events_freezable_power_        10     0      0.0       0       0       -       -
502   sock_diag_events                0     0      0.0       0       0       -       -
503
504                               total  infl  CPUtime  CPUhog CMW/RPR  mayday rescued
505   events                      18548     0      6.1       0       5       -       -
506   events_highpri                  8     0      0.0       0       0       -       -
507   events_long                     3     0      0.0       0       0       -       -
508   events_unbound              38322     0      0.1       -       7       -       -
509   events_freezable                0     0      0.0       0       0       -       -
510   events_power_efficient      29603     0      0.2       0       0       -       -
511   events_freezable_power_        10     0      0.0       0       0       -       -
512   sock_diag_events                0     0      0.0       0       0       -       -
513
514   ...
515
516 See the command's help message for more info.
517
518
519 Debugging
520 =========
521
522 Because the work functions are executed by generic worker threads
523 there are a few tricks needed to shed some light on misbehaving
524 workqueue users.
525
526 Worker threads show up in the process list as: ::
527
528   root      5671  0.0  0.0      0     0 ?        S    12:07   0:00 [kworker/0:1]
529   root      5672  0.0  0.0      0     0 ?        S    12:07   0:00 [kworker/1:2]
530   root      5673  0.0  0.0      0     0 ?        S    12:12   0:00 [kworker/0:0]
531   root      5674  0.0  0.0      0     0 ?        S    12:13   0:00 [kworker/1:0]
532
533 If kworkers are going crazy (using too much cpu), there are two types
534 of possible problems:
535
536         1. Something being scheduled in rapid succession
537         2. A single work item that consumes lots of cpu cycles
538
539 The first one can be tracked using tracing: ::
540
541         $ echo workqueue:workqueue_queue_work > /sys/kernel/tracing/set_event
542         $ cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe > out.txt
543         (wait a few secs)
544         ^C
545
546 If something is busy looping on work queueing, it would be dominating
547 the output and the offender can be determined with the work item
548 function.
549
550 For the second type of problems it should be possible to just check
551 the stack trace of the offending worker thread. ::
552
553         $ cat /proc/THE_OFFENDING_KWORKER/stack
554
555 The work item's function should be trivially visible in the stack
556 trace.
557
558
559 Non-reentrance Conditions
560 =========================
561
562 Workqueue guarantees that a work item cannot be re-entrant if the following
563 conditions hold after a work item gets queued:
564
565         1. The work function hasn't been changed.
566         2. No one queues the work item to another workqueue.
567         3. The work item hasn't been reinitiated.
568
569 In other words, if the above conditions hold, the work item is guaranteed to be
570 executed by at most one worker system-wide at any given time.
571
572 Note that requeuing the work item (to the same queue) in the self function
573 doesn't break these conditions, so it's safe to do. Otherwise, caution is
574 required when breaking the conditions inside a work function.
575
576
577 Kernel Inline Documentations Reference
578 ======================================
579
580 .. kernel-doc:: include/linux/workqueue.h
581
582 .. kernel-doc:: kernel/workqueue.c