Documentation/workqueue.txt

   1
   2 Concurrency Managed Workqueue (cmwq)
   3
   4 September, 2010         Tejun Heo <tj@kernel.org>
   5                         Florian Mickler <florian@mickler.org>
   6
   7 CONTENTS
   8
   9 1. Introduction
  10 2. Why cmwq?
  11 3. The Design
  12 4. Application Programming Interface (API)
  13 5. Example Execution Scenarios
  14 6. Guidelines
  15
  16
  17 1. Introduction
  18
  19 There are many cases where an asynchronous process execution context
  20 is needed and the workqueue (wq) API is the most commonly used
  21 mechanism for such cases.
  22
  23 When such an asynchronous execution context is needed, a work item
  24 describing which function to execute is put on a queue.  An
  25 independent thread serves as the asynchronous execution context.  The
  26 queue is called workqueue and the thread is called worker.
  27
  28 While there are work items on the workqueue the worker executes the
  29 functions associated with the work items one after the other.  When
  30 there is no work item left on the workqueue the worker becomes idle.
  31 When a new work item gets queued, the worker begins executing again.
  32
  33
  34 2. Why cmwq?
  35
  36 In the original wq implementation, a multi threaded (MT) wq had one
  37 worker thread per CPU and a single threaded (ST) wq had one worker
  38 thread system-wide.  A single MT wq needed to keep around the same
  39 number of workers as the number of CPUs.  The kernel grew a lot of MT
  40 wq users over the years and with the number of CPU cores continuously
  41 rising, some systems saturated the default 32k PID space just booting
  42 up.
  43
  44 Although MT wq wasted a lot of resource, the level of concurrency
  45 provided was unsatisfactory.  The limitation was common to both ST and
  46 MT wq albeit less severe on MT.  Each wq maintained its own separate
  47 worker pool.  A MT wq could provide only one execution context per CPU
  48 while a ST wq one for the whole system.  Work items had to compete for
  49 those very limited execution contexts leading to various problems
  50 including proneness to deadlocks around the single execution context.
  51
  52 The tension between the provided level of concurrency and resource
  53 usage also forced its users to make unnecessary tradeoffs like libata
  54 choosing to use ST wq for polling PIOs and accepting an unnecessary
  55 limitation that no two polling PIOs can progress at the same time.  As
  56 MT wq don't provide much better concurrency, users which require
  57 higher level of concurrency, like async or fscache, had to implement
  58 their own thread pool.
  59
  60 Concurrency Managed Workqueue (cmwq) is a reimplementation of wq with
  61 focus on the following goals.
  62
  63 * Maintain compatibility with the original workqueue API.
  64
  65 * Use per-CPU unified worker pools shared by all wq to provide
  66   flexible level of concurrency on demand without wasting a lot of
  67   resource.
  68
  69 * Automatically regulate worker pool and level of concurrency so that
  70   the API users don't need to worry about such details.
  71
  72
  73 3. The Design
  74
  75 In order to ease the asynchronous execution of functions a new
  76 abstraction, the work item, is introduced.
  77
  78 A work item is a simple struct that holds a pointer to the function
  79 that is to be executed asynchronously.  Whenever a driver or subsystem
  80 wants a function to be executed asynchronously it has to set up a work
  81 item pointing to that function and queue that work item on a
  82 workqueue.
  83
  84 Special purpose threads, called worker threads, execute the functions
  85 off of the queue, one after the other.  If no work is queued, the
  86 worker threads become idle.  These worker threads are managed in so
  87 called thread-pools.
  88
  89 The cmwq design differentiates between the user-facing workqueues that
  90 subsystems and drivers queue work items on and the backend mechanism
  91 which manages thread-pool and processes the queued work items.
  92
  93 The backend is called gcwq.  There is one gcwq for each possible CPU
  94 and one gcwq to serve work items queued on unbound workqueues.
  95
  96 Subsystems and drivers can create and queue work items through special
  97 workqueue API functions as they see fit. They can influence some
  98 aspects of the way the work items are executed by setting flags on the
  99 workqueue they are putting the work item on. These flags include
 100 things like CPU locality, reentrancy, concurrency limits and more. To
 101 get a detailed overview refer to the API description of
 102 alloc_workqueue() below.
 103
 104 When a work item is queued to a workqueue, the target gcwq is
 105 determined according to the queue parameters and workqueue attributes
 106 and appended on the shared worklist of the gcwq.  For example, unless
 107 specifically overridden, a work item of a bound workqueue will be
 108 queued on the worklist of exactly that gcwq that is associated to the
 109 CPU the issuer is running on.
 110
 111 For any worker pool implementation, managing the concurrency level
 112 (how many execution contexts are active) is an important issue.  cmwq
 113 tries to keep the concurrency at a minimal but sufficient level.
 114 Minimal to save resources and sufficient in that the system is used at
 115 its full capacity.
 116
 117 Each gcwq bound to an actual CPU implements concurrency management by
 118 hooking into the scheduler.  The gcwq is notified whenever an active
 119 worker wakes up or sleeps and keeps track of the number of the
 120 currently runnable workers.  Generally, work items are not expected to
 121 hog a CPU and consume many cycles.  That means maintaining just enough
 122 concurrency to prevent work processing from stalling should be
 123 optimal.  As long as there are one or more runnable workers on the
 124 CPU, the gcwq doesn't start execution of a new work, but, when the
 125 last running worker goes to sleep, it immediately schedules a new
 126 worker so that the CPU doesn't sit idle while there are pending work
 127 items.  This allows using a minimal number of workers without losing
 128 execution bandwidth.
 129
 130 Keeping idle workers around doesn't cost other than the memory space
 131 for kthreads, so cmwq holds onto idle ones for a while before killing
 132 them.
 133
 134 For an unbound wq, the above concurrency management doesn't apply and
 135 the gcwq for the pseudo unbound CPU tries to start executing all work
 136 items as soon as possible.  The responsibility of regulating
 137 concurrency level is on the users.  There is also a flag to mark a
 138 bound wq to ignore the concurrency management.  Please refer to the
 139 API section for details.
 140
 141 Forward progress guarantee relies on that workers can be created when
 142 more execution contexts are necessary, which in turn is guaranteed
 143 through the use of rescue workers.  All work items which might be used
 144 on code paths that handle memory reclaim are required to be queued on
 145 wq's that have a rescue-worker reserved for execution under memory
 146 pressure.  Else it is possible that the thread-pool deadlocks waiting
 147 for execution contexts to free up.
 148
 149
 150 4. Application Programming Interface (API)
 151
 152 alloc_workqueue() allocates a wq.  The original create_*workqueue()
 153 functions are deprecated and scheduled for removal.  alloc_workqueue()
 154 takes three arguments - @name, @flags and @max_active.  @name is the
 155 name of the wq and also used as the name of the rescuer thread if
 156 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 @flags:
 164
 165   WQ_NON_REENTRANT
 166
 167         By default, a wq guarantees non-reentrance only on the same
 168         CPU.  A work item may not be executed concurrently on the same
 169         CPU by multiple workers but is allowed to be executed
 170         concurrently on multiple CPUs.  This flag makes sure
 171         non-reentrance is enforced across all CPUs.  Work items queued
 172         to a non-reentrant wq are guaranteed to be executed by at most
 173         one worker system-wide at any given time.
 174
 175   WQ_UNBOUND
 176
 177         Work items queued to an unbound wq are served by a special
 178         gcwq which hosts workers which are not bound to any specific
 179         CPU.  This makes the wq behave as a simple execution context
 180         provider without concurrency management.  The unbound gcwq
 181         tries to start execution of work items as soon as possible.
 182         Unbound wq sacrifices locality but is useful for the following
 183         cases.
 184
 185         * Wide fluctuation in the concurrency level requirement is
 186           expected and using bound wq may end up creating large number
 187           of mostly unused workers across different CPUs as the issuer
 188           hops through different CPUs.
 189
 190         * Long running CPU intensive workloads which can be better
 191           managed by the system scheduler.
 192
 193   WQ_FREEZEABLE
 194
 195         A freezeable wq participates in the freeze phase of the system
 196         suspend operations.  Work items on the wq are drained and no
 197         new work item starts execution until thawed.
 198
 199   WQ_MEM_RECLAIM
 200
 201         All wq which might be used in the memory reclaim paths _MUST_
 202         have this flag set.  The wq is guaranteed to have at least one
 203         execution context regardless of memory pressure.
 204
 205   WQ_HIGHPRI
 206
 207         Work items of a highpri wq are queued at the head of the
 208         worklist of the target gcwq and start execution regardless of
 209         the current concurrency level.  In other words, highpri work
 210         items will always start execution as soon as execution
 211         resource is available.
 212
 213         Ordering among highpri work items is preserved - a highpri
 214         work item queued after another highpri work item will start
 215         execution after the earlier highpri work item starts.
 216
 217         Although highpri work items are not held back by other
 218         runnable work items, they still contribute to the concurrency
 219         level.  Highpri work items in runnable state will prevent
 220         non-highpri work items from starting execution.
 221
 222         This flag is meaningless for unbound wq.
 223
 224   WQ_CPU_INTENSIVE
 225
 226         Work items of a CPU intensive wq do not contribute to the
 227         concurrency level.  In other words, runnable CPU intensive
 228         work items will not prevent other work items from starting
 229         execution.  This is useful for bound work items which are
 230         expected to hog CPU cycles so that their execution is
 231         regulated by the system scheduler.
 232
 233         Although CPU intensive work items don't contribute to the
 234         concurrency level, start of their executions is still
 235         regulated by the concurrency management and runnable
 236         non-CPU-intensive work items can delay execution of CPU
 237         intensive work items.
 238
 239         This flag is meaningless for unbound wq.
 240
 241   WQ_HIGHPRI | WQ_CPU_INTENSIVE
 242
 243         This combination makes the wq avoid interaction with
 244         concurrency management completely and behave as a simple
 245         per-CPU execution context provider.  Work items queued on a
 246         highpri CPU-intensive wq start execution as soon as resources
 247         are available and don't affect execution of other work items.
 248
 249 @max_active:
 250
 251 @max_active determines the maximum number of execution contexts per
 252 CPU which can be assigned to the work items of a wq.  For example,
 253 with @max_active of 16, at most 16 work items of the wq can be
 254 executing at the same time per CPU.
 255
 256 Currently, for a bound wq, the maximum limit for @max_active is 512
 257 and the default value used when 0 is specified is 256.  For an unbound
 258 wq, the limit is higher of 512 and 4 * num_possible_cpus().  These
 259 values are chosen sufficiently high such that they are not the
 260 limiting factor while providing protection in runaway cases.
 261
 262 The number of active work items of a wq is usually regulated by the
 263 users of the wq, more specifically, by how many work items the users
 264 may queue at the same time.  Unless there is a specific need for
 265 throttling the number of active work items, specifying '0' is
 266 recommended.
 267
 268 Some users depend on the strict execution ordering of ST wq.  The
 269 combination of @max_active of 1 and WQ_UNBOUND is used to achieve this
 270 behavior.  Work items on such wq are always queued to the unbound gcwq
 271 and only one work item can be active at any given time thus achieving
 272 the same ordering property as ST wq.
 273
 274
 275 5. Example Execution Scenarios
 276
 277 The following example execution scenarios try to illustrate how cmwq
 278 behave under different configurations.
 279
 280  Work items w0, w1, w2 are queued to a bound wq q0 on the same CPU.
 281  w0 burns CPU for 5ms then sleeps for 10ms then burns CPU for 5ms
 282  again before finishing.  w1 and w2 burn CPU for 5ms then sleep for
 283  10ms.
 284
 285 Ignoring all other tasks, works and processing overhead, and assuming
 286 simple FIFO scheduling, the following is one highly simplified version
 287 of possible sequences of events with the original wq.
 288
 289  TIME IN MSECS  EVENT
 290  0              w0 starts and burns CPU
 291  5              w0 sleeps
 292  15             w0 wakes up and burns CPU
 293  20             w0 finishes
 294  20             w1 starts and burns CPU
 295  25             w1 sleeps
 296  35             w1 wakes up and finishes
 297  35             w2 starts and burns CPU
 298  40             w2 sleeps
 299  50             w2 wakes up and finishes
 300
 301 And with cmwq with @max_active >= 3,
 302
 303  TIME IN MSECS  EVENT
 304  0              w0 starts and burns CPU
 305  5              w0 sleeps
 306  5              w1 starts and burns CPU
 307  10             w1 sleeps
 308  10             w2 starts and burns CPU
 309  15             w2 sleeps
 310  15             w0 wakes up and burns CPU
 311  20             w0 finishes
 312  20             w1 wakes up and finishes
 313  25             w2 wakes up and finishes
 314
 315 If @max_active == 2,
 316
 317  TIME IN MSECS  EVENT
 318  0              w0 starts and burns CPU
 319  5              w0 sleeps
 320  5              w1 starts and burns CPU
 321  10             w1 sleeps
 322  15             w0 wakes up and burns CPU
 323  20             w0 finishes
 324  20             w1 wakes up and finishes
 325  20             w2 starts and burns CPU
 326  25             w2 sleeps
 327  35             w2 wakes up and finishes
 328
 329 Now, let's assume w1 and w2 are queued to a different wq q1 which has
 330 WQ_HIGHPRI set,
 331
 332  TIME IN MSECS  EVENT
 333  0              w1 and w2 start and burn CPU
 334  5              w1 sleeps
 335  10             w2 sleeps
 336  10             w0 starts and burns CPU
 337  15             w0 sleeps
 338  15             w1 wakes up and finishes
 339  20             w2 wakes up and finishes
 340  25             w0 wakes up and burns CPU
 341  30             w0 finishes
 342
 343 If q1 has WQ_CPU_INTENSIVE set,
 344
 345  TIME IN MSECS  EVENT
 346  0              w0 starts and burns CPU
 347  5              w0 sleeps
 348  5              w1 and w2 start and burn CPU
 349  10             w1 sleeps
 350  15             w2 sleeps
 351  15             w0 wakes up and burns CPU
 352  20             w0 finishes
 353  20             w1 wakes up and finishes
 354  25             w2 wakes up and finishes
 355
 356
 357 6. Guidelines
 358
 359 * Do not forget to use WQ_MEM_RECLAIM if a wq may process work items
 360   which are used during memory reclaim.  Each wq with WQ_MEM_RECLAIM
 361   set has an execution context reserved for it.  If there is
 362   dependency among multiple work items used during memory reclaim,
 363   they should be queued to separate wq each with WQ_MEM_RECLAIM.
 364
 365 * Unless strict ordering is required, there is no need to use ST wq.
 366
 367 * Unless there is a specific need, using 0 for @max_active is
 368   recommended.  In most use cases, concurrency level usually stays
 369   well under the default limit.
 370
 371 * A wq serves as a domain for forward progress guarantee
 372   (WQ_MEM_RECLAIM, flush and work item attributes.  Work items which
 373   are not involved in memory reclaim and don't need to be flushed as a
 374   part of a group of work items, and don't require any special
 375   attribute, can use one of the system wq.  There is no difference in
 376   execution characteristics between using a dedicated wq and a system
 377   wq.
 378
 379 * Unless work items are expected to consume a huge amount of CPU
 380   cycles, using a bound wq is usually beneficial due to the increased
 381   level of locality in wq operations and work item execution.