Linuxカーネルの構造と原理：ワークキュー [著者直講 1部-7]

<お知らせ>

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2. ロードマップ案内 🎯

今回の講義はロードマップ'システムソフトウェア開発者のためのLinux kernel - basic course'に含まれている講義です。

システム半導体、自動車分野などのシステムソフトウェア開発者なら

必ず知っておくべきLinuxカーネル

すべてのIT機器で最も多く使用されているオペレーティングシステムは何でしょうか？それはまさにLinuxオペレーティングシステムです。スマートフォン、デジタルTV、航空エンターテインメントシステム、そしてサーバーに使用されています。システム半導体メーカーでは、Linux（Linuxデバイスドライバー）を活用して自社が設計したハードウェアを制御しています。また、電気自動車（Automotive）を構成する様々な部品（インフォテインメント、自動運転、テレマティクス）にもLinuxが多く活用されています。

Linuxオペレーティングシステムの核心はLinuxカーネルです。Armv8-Aアーキテクチャと共に、現在のシステムソフトウェア業界で最も必要とされる基盤知識が求められる内容がLinuxカーネルとも言えるでしょう。

しかし、Linuxカーネルはシステムソフトウェア分野の初心者にとって巨大な壁のような存在です。初心者たちはLinuxカーネルを学ぼうとして何度も挫折した経験があるでしょう。その難しいLinuxカーネルのバージョンがアップグレードされながら、ますます複雑に進化しています。2024年以降、Linuxカーネルバージョンはv6.6以上にアップグレードされありますが、参入障壁がより高くなっています。

システム半導体、電気自動車分野を含む様々な分野に配置されたLinuxシステムソフトウェア開発者の方々は、Linuxカーネルをよく知ってこそ開発能力を向上させることができるという事実は知っています。しかし、Linuxカーネルをどのように学ぶべきか、そして何よりも実務でどのような内容をよく知っておくべきかを把握するのが難しい状況です。

Linuxデバイスドライバ開発の核心中の核心：ワークキュー

Linuxシステムソフトウェア開発者として入門すると、ほとんどの場合Linuxデバイスドライバーを開発します。この過程で必ず知っておくべき機能はまさにワークキューです。その理由をいくつか挙げると；

• ワークキューは割り込み後半部技法として使用される。

• デバイスドライバの多くの機能は、ワークキューが提供するAPIを使用して実装される。

また、Linuxカーネルを構成する多くの機能もワークキューが提供するAPIを使用して動作します。そのため、私が書いた「Linuxカーネルの構造と原理」という本の7章で、次のような「ワークキュー」について説明しています。

この講義は、様々な方法で読者の皆さんがデバッグ実習（TRACE32メモリダンプ分析、ftrace分析）を通じてワークキューを学べるように構成しました。

講義の差別化ポイント

今回の講義はこれまで一度もYouTubeやどの講義プラットフォームでも扱われたことのないコンテンツで構成されています！ Linuxカーネルのワークキューに関連するデータ構造（system_wqグローバル変数、worker_pool構造体、work_struct構造体）をLinuxカーネルメモリダンプを通じてデバッグします。この講義を受講される方は3つのメモリダンプをダウンロードして直接実習することができます。

こんな内容を学びます

ワークキューを構成する核心機能とロードマップをまず説明します。続いてワークキューをうまく学ぶ方法を詳細に説明します。

ワークキューを構成するデータ構造を大きな図で説明します。グローバルワークキューとワーカープール、そしてワークアイテムの構造を詳細に説明します。

デバイスドライバーの観点からワーク（ワークアイテム）がどのように使用されるかを説明します。

ワークに関連するデータ構造を紹介し、デバッグ実習で詳細に各フィールドがどのような値を保存するのかを分かりやすく説明します。

ワークアイテムがキューイングされる過程をカーネルコード分析で詳細に説明します。

ワークアイテムがキューイングされる際のデータ構造（リンクドリスト）をTRACE32メモリダンプデバッグで詳細に説明します。

ワークアイテムを実行するワーカースレッドを紹介し、ワーカースレッドの実行段階を説明します。続いてワーカースレッドが生成されるカーネルソースを分析し、この過程のコールスタック（バックトレース）も併せて説明します。

ワーカースレッドが実行される際の動作方式をカーネルソース分析により詳細に説明します。

ワーカースレッドを通じてワークアイテムが実行される動作方式をTRACE32デバッグを通じて説明します。（3つのメモリダンプ）

ワークキューをトレーシングするftraceについて詳細に説明し、関連するカーネルソースコードをftraceメッセージと共に分析します。 ## ワークキューftraceの概要 ワークキューのftraceは、Linuxカーネルのワークキューサブシステムの動作を詳細に追跡するためのトレーシング機能です。ワークキューは非同期処理を実行するためのカーネル内メカニズムで、割り込みコンテキストから遅延実行可能な処理を移すために使用されます。 ## 主要なftraceイベント ### 1. workqueue_queue_work ワークがワークキューにキューイングされる際に発生するイベントです。 ```c // kernel/workqueue.c static void __queue_work(int cpu, struct workqueue_struct *wq, struct work_struct *work) { struct pool_workqueue *pwq; struct worker_pool *last_pool; struct list_head *worklist; unsigned int work_flags;

デバイスドライバーでよく活用されるディレイドワークキューについて分かりやすく説明します。

遅延ワークのソースコードと遅延ワークの実行フローを詳細に分析します。

書籍では扱わなかったが、実戦プロジェクトで多く使用されるワークキューウォッチドッグについて説明します。CONFIG_WQ_WATCHDOGを有効にする方法を説明し、関連するカーネルソースコードを分析します。

ワークキューウォッチドッグの動作方式をftraceメッセージ分析で詳細に説明します。

書籍執筆・講義経験をもとに
誰よりも深く詳細に！

グローバル著者 & Linuxシステムソフトウェア開発者 (Arm、RISC-Vアーキテクチャ)

国内システムソフトウェア分野で前代未聞！「Armアーキテクチャ（Armv8-A、Armv7-A）」と「Linuxカーネル」の本を書いた著者（2冊の本がいずれも大韓民国学術院優秀図書に選定）であり、国内初で海外出版社（Packt）を通じて「Reverse Engineering Armv8-A Systems」の本（英語）を執筆したグローバル著者です。何より最新システムソフトウェアトレンド（電気自動車、システム半導体-システムソフトウェア）を最もよく知っている現役開発者です。また、システムソフトウェア分野で最も知識普及活動を活発に行っている教育者です。

• 'Reverse Engineering Armv8-A Systems: A practical guide to Kernel, Firmware, and TrustZone analysis' 書籍（英語）著者、（Packt出版社）

• 「デバッグを通して学ぶLinuxカーネルの構造と原理」（2021年、大韓民国学術院優秀図書賞）著者

• 「システムソフトウェア開発のためのArmアーキテクチャの構造と原理」（2024年、大韓民国学術院優秀図書賞）著者

• 'プログラマース デブ コース: Linuxシステム及びカーネル専門家' メイン講師 (1~2次数)

• 2022年6月、韓国コンピュータ総合学術大会（KCC2022）- チュートリアル発表「ftraceを利用してLinuxカーネルを攻略する」

• LG電子「Linuxカーネル」及び「Armv8アーキテクチャ」社内講師（国内及び海外開発者含む） - （2020年〜2024年）

国内で誰よりもLinuxカーネルを構成する主要機能をよく説明できる教育者だと自信を持って申し上げることができます。

受講前の参考事項