Merge remote-tracking branches 'asoc/topic/adsp', 'asoc/topic/ak4613', 'asoc/topic...
[sfrench/cifs-2.6.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.  A MT wq could provide only one execution context per CPU
43 while a 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 maintain 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 Note that the flag ``WQ_NON_REENTRANT`` no longer exists as all
220 workqueues are now non-reentrant - any work item is guaranteed to be
221 executed by at most one worker system-wide at any given time.
222
223
224 ``max_active``
225 --------------
226
227 ``@max_active`` determines the maximum number of execution contexts
228 per CPU which can be assigned to the work items of a wq.  For example,
229 with ``@max_active`` of 16, at most 16 work items of the wq can be
230 executing at the same time per CPU.
231
232 Currently, for a bound wq, the maximum limit for ``@max_active`` is
233 512 and the default value used when 0 is specified is 256.  For an
234 unbound wq, the limit is higher of 512 and 4 *
235 ``num_possible_cpus()``.  These values are chosen sufficiently high
236 such that they are not the limiting factor while providing protection
237 in runaway cases.
238
239 The number of active work items of a wq is usually regulated by the
240 users of the wq, more specifically, by how many work items the users
241 may queue at the same time.  Unless there is a specific need for
242 throttling the number of active work items, specifying '0' is
243 recommended.
244
245 Some users depend on the strict execution ordering of ST wq.  The
246 combination of ``@max_active`` of 1 and ``WQ_UNBOUND`` is used to
247 achieve this behavior.  Work items on such wq are always queued to the
248 unbound worker-pools and only one work item can be active at any given
249 time thus achieving the same ordering property as ST wq.
250
251
252 Example Execution Scenarios
253 ===========================
254
255 The following example execution scenarios try to illustrate how cmwq
256 behave under different configurations.
257
258  Work items w0, w1, w2 are queued to a bound wq q0 on the same CPU.
259  w0 burns CPU for 5ms then sleeps for 10ms then burns CPU for 5ms
260  again before finishing.  w1 and w2 burn CPU for 5ms then sleep for
261  10ms.
262
263 Ignoring all other tasks, works and processing overhead, and assuming
264 simple FIFO scheduling, the following is one highly simplified version
265 of possible sequences of events with the original wq. ::
266
267  TIME IN MSECS  EVENT
268  0              w0 starts and burns CPU
269  5              w0 sleeps
270  15             w0 wakes up and burns CPU
271  20             w0 finishes
272  20             w1 starts and burns CPU
273  25             w1 sleeps
274  35             w1 wakes up and finishes
275  35             w2 starts and burns CPU
276  40             w2 sleeps
277  50             w2 wakes up and finishes
278
279 And with cmwq with ``@max_active`` >= 3, ::
280
281  TIME IN MSECS  EVENT
282  0              w0 starts and burns CPU
283  5              w0 sleeps
284  5              w1 starts and burns CPU
285  10             w1 sleeps
286  10             w2 starts and burns CPU
287  15             w2 sleeps
288  15             w0 wakes up and burns CPU
289  20             w0 finishes
290  20             w1 wakes up and finishes
291  25             w2 wakes up and finishes
292
293 If ``@max_active`` == 2, ::
294
295  TIME IN MSECS  EVENT
296  0              w0 starts and burns CPU
297  5              w0 sleeps
298  5              w1 starts and burns CPU
299  10             w1 sleeps
300  15             w0 wakes up and burns CPU
301  20             w0 finishes
302  20             w1 wakes up and finishes
303  20             w2 starts and burns CPU
304  25             w2 sleeps
305  35             w2 wakes up and finishes
306
307 Now, let's assume w1 and w2 are queued to a different wq q1 which has
308 ``WQ_CPU_INTENSIVE`` set, ::
309
310  TIME IN MSECS  EVENT
311  0              w0 starts and burns CPU
312  5              w0 sleeps
313  5              w1 and w2 start and burn CPU
314  10             w1 sleeps
315  15             w2 sleeps
316  15             w0 wakes up and burns CPU
317  20             w0 finishes
318  20             w1 wakes up and finishes
319  25             w2 wakes up and finishes
320
321
322 Guidelines
323 ==========
324
325 * Do not forget to use ``WQ_MEM_RECLAIM`` if a wq may process work
326   items which are used during memory reclaim.  Each wq with
327   ``WQ_MEM_RECLAIM`` set has an execution context reserved for it.  If
328   there is dependency among multiple work items used during memory
329   reclaim, they should be queued to separate wq each with
330   ``WQ_MEM_RECLAIM``.
331
332 * Unless strict ordering is required, there is no need to use ST wq.
333
334 * Unless there is a specific need, using 0 for @max_active is
335   recommended.  In most use cases, concurrency level usually stays
336   well under the default limit.
337
338 * A wq serves as a domain for forward progress guarantee
339   (``WQ_MEM_RECLAIM``, flush and work item attributes.  Work items
340   which are not involved in memory reclaim and don't need to be
341   flushed as a part of a group of work items, and don't require any
342   special attribute, can use one of the system wq.  There is no
343   difference in execution characteristics between using a dedicated wq
344   and a system wq.
345
346 * Unless work items are expected to consume a huge amount of CPU
347   cycles, using a bound wq is usually beneficial due to the increased
348   level of locality in wq operations and work item execution.
349
350
351 Debugging
352 =========
353
354 Because the work functions are executed by generic worker threads
355 there are a few tricks needed to shed some light on misbehaving
356 workqueue users.
357
358 Worker threads show up in the process list as: ::
359
360   root      5671  0.0  0.0      0     0 ?        S    12:07   0:00 [kworker/0:1]
361   root      5672  0.0  0.0      0     0 ?        S    12:07   0:00 [kworker/1:2]
362   root      5673  0.0  0.0      0     0 ?        S    12:12   0:00 [kworker/0:0]
363   root      5674  0.0  0.0      0     0 ?        S    12:13   0:00 [kworker/1:0]
364
365 If kworkers are going crazy (using too much cpu), there are two types
366 of possible problems:
367
368         1. Something being scheduled in rapid succession
369         2. A single work item that consumes lots of cpu cycles
370
371 The first one can be tracked using tracing: ::
372
373         $ echo workqueue:workqueue_queue_work > /sys/kernel/debug/tracing/set_event
374         $ cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe > out.txt
375         (wait a few secs)
376         ^C
377
378 If something is busy looping on work queueing, it would be dominating
379 the output and the offender can be determined with the work item
380 function.
381
382 For the second type of problems it should be possible to just check
383 the stack trace of the offending worker thread. ::
384
385         $ cat /proc/THE_OFFENDING_KWORKER/stack
386
387 The work item's function should be trivially visible in the stack
388 trace.
389
390
391 Kernel Inline Documentations Reference
392 ======================================
393
394 .. kernel-doc:: include/linux/workqueue.h