Cấu trúc và nguyên lý của Linux Kernel: Workqueue [Bài giảng trực tiếp của tác giả Phần 1-7]

Nếu bạn là nhà phát triển phần mềm hệ thống trong lĩnh vực bán dẫn hệ thống, ô tô, v.v.

Kernel Linux cần thiết phải biết

Hệ điều hành được sử dụng nhiều nhất trên tất cả các thiết bị IT là gì? Chính là hệ điều hành Linux. Nó được sử dụng trong điện thoại thông minh, TV kỹ thuật số, hệ thống giải trí hàng không và máy chủ. Các công ty bán dẫn hệ thống sử dụng Linux (Linux device driver) để điều khiển phần cứng mà họ thiết kế. Ngoài ra, Linux cũng được ứng dụng rộng rãi trong các bộ phận khác nhau cấu thành nên xe điện (Automotive) như hệ thống thông tin giải trí, lái xe tự động, và telematics.

Cốt lõi của hệ điều hành Linux là Linux kernel. Cùng với kiến trúc Armv8-A, có thể nói rằng Linux kernel là nội dung đòi hỏi kiến thức nền tảng được cần thiết nhiều nhất trong ngành phần mềm hệ thống hiện tại.

Tuy nhiên, kernel Linux là một rào cản khổng lồ đối với những người mới bắt đầu trong lĩnh vực phần mềm hệ thống. Những người mới bắt đầu có lẽ đã có kinh nghiệm từ bỏ việc học kernel Linux nhiều lần. Kernel Linux vốn đã khó khăn này đang ngày càng phát triển phức tạp hơn khi các phiên bản được nâng cấp.Từ năm 2024 trở đi, phiên bản kernel Linux sẽ được nâng cấp lên v6.6 trở lên vànhưng rào cản gia nhập đang ngày càng cao hơn.

Các nhà phát triển phần mềm hệ thống Linux hoạt động trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm bán dẫn hệ thống và xe điện đều biết rằng họ cần hiểu rõ về Linux kernel để có thể nâng cao năng lực phát triển. Tuy nhiên, việc nắm bắt được cách học Linux kernel như thế nào và quan trọng hơn là cần biết những nội dung gì trong thực tế công việc lại là một tình huống khó khăn.

Cốt lõi của cốt lõi trong phát triển Linux device driver: Workqueue

Khi bắt đầu làm nhà phát triển phần mềm hệ thống Linux, hầu hết sẽ phát triển Linux device driver. Trong quá trình nàyChức năng bắt buộc phải biết chính là work queue. Lý do là có thể kể ra một vài điều sau;

• Workqueue được sử dụng như một kỹ thuật xử lý nửa dưới của ngắt.

• Nhiều chức năng của device driver được triển khai bằng cách sử dụng API do workqueue cung cấp.

Ngoài ra, nhiều chức năng tạo nên nhân Linux cũng hoạt động bằng cách sử dụng API do workqueue cung cấp. Vì vậy, trong chương 7 của cuốn sách "Cấu trúc và Nguyên lý của Nhân Linux" mà tôi đã viết, tôi giải thích về 'workqueue' như sau.

Bài giảng này được cấu trúc để độc giả có thể học về workqueue thông qua thực hành debug bằng nhiều cách khác nhau (phân tích memory dump TRACE32, phân tích ftrace).

Điểm khác biệt của khóa học

Khóa học này được cấu thành từ nội dung chưa từng được đề cập trên YouTube hay bất kỳ nền tảng giảng dạy nào khác! Chúng ta sẽ debug các cấu trúc dữ liệu liên quan đến workqueue của Linux kernel (biến toàn cục system_wq, cấu trúc worker_pool, cấu trúc work_struct) thông qua memory dump của Linux kernel. Những người tham gia khóa học này có thể tải xuống 3 memory dump để thực hành trực tiếp.

Chúng ta sẽ học những nội dung như thế này

Trước tiên, tôi sẽ giải thích các tính năng cốt lõi và lộ trình cấu thành workqueue. Tiếp theo, tôi sẽ giải thích chi tiết phương pháp học workqueue hiệu quả.

Giải thích cấu trúc dữ liệu tạo nên workqueue theo bức tranh tổng thể. Mô tả chi tiết cấu trúc của global workqueue, worker pool và work item.

Giải thích cách sử dụng work (work item) từ góc độ device driver.

Giới thiệu cấu trúc dữ liệu liên quan đến work và thông qua thực hành debug, giải thích một cách dễ hiểu chi tiết về giá trị mà từng trường lưu trữ.

Quá trình xếp hàng work item được giải thích chi tiết thông qua phân tích mã kernel.

Giải thích chi tiết cấu trúc dữ liệu (danh sách liên kết) khi work item được đưa vào hàng đợi thông qua việc debug memory dump bằng TRACE32.

Giới thiệu worker thread thực thi work item và giải thích các giai đoạn thực thi của worker thread. Tiếp theo sẽ phân tích mã nguồn kernel nơi worker thread được tạo ra và cùng giải thích call stack (back trace) của quá trình này.

Giải thích chi tiết về cách thức hoạt động khi worker thread thực thi thông qua phân tích mã nguồn kernel.

Giải thích cách thức hoạt động của việc thực thi work item thông qua worker thread bằng debugging TRACE32. (3 memory dump)

Giải thích chi tiết về ftrace để tracing workqueue và phân tích mã nguồn kernel liên quan cùng với các thông điệp ftrace. ## Tổng quan về ftrace và workqueue tracing ftrace là một framework tracing được tích hợp sẵn trong Linux kernel, cho phép theo dõi và phân tích hoạt động của kernel một cách chi tiết. Đối với workqueue, ftrace cung cấp khả năng theo dõi việc tạo, lập lịch và thực thi các work item. ## Các tracepoint chính của workqueue ### 1. workqueue_queue_work Được kích hoạt khi một work item được đưa vào queue: ```c // kernel/workqueue.c static void __queue_work(int cpu, struct workqueue_struct *wq, struct work_struct *work) { // ... logic xử lý ... trace_workqueue_queue_work(req_cpu, pwq, work); // ... tiếp tục xử lý ... } ``` **Thông điệp ftrace mẫu:** ``` kwor

Giải thích dễ hiểu về delayed workqueue được sử dụng nhiều trong device driver.

Phân tích chi tiết mã nguồn của Delayed Work và luồng thực thi của Delayed Work.

Cuốn sách không đề cập đến nhưng sẽ giải thích về watchdog của work queue được sử dụng nhiều trong các dự án thực tế. Sẽ giải thích cách bật CONFIG_WQ_WATCHDOG và phân tích mã nguồn kernel liên quan.

Giải thích chi tiết cách thức hoạt động của workqueue watchdog thông qua phân tích thông điệp ftrace.

Dựa trên kinh nghiệm viết sách/giảng dạy
Sâu sắc và chi tiết hơn ai hết!

Tác giả toàn cầu & Nhà phát triển phần mềm hệ thống Linux (Kiến trúc Arm, RISC-V)

Trong lĩnh vực phần mềm hệ thống tại Hàn Quốc, đây là tác giả duy nhất! Đã viết sách về 'Kiến trúc Arm (Armv8-A, Armv7-A)' và 'Linux Kernel' (cả 2 cuốn sách đều được Viện Hàn lâm Khoa học Hàn Quốc chọn là sách xuất sắc), và là người đầu tiên tại Hàn Quốc viết sách "Reverse Engineering Armv8-A Systems" (tiếng Anh) thông qua nhà xuất bản nước ngoài (Packt), là một tác giả toàn cầu. Trên hết, đây là một lập trình viên thực tế hiểu rõ nhất về các xu hướng phần mềm hệ thống mới nhất (xe điện, bán dẫn hệ thống - phần mềm hệ thống). Đồng thời cũng là một nhà giáo dục tích cực nhất trong việc truyền bá kiến thức trong lĩnh vực phần mềm hệ thống.

• 'Reverse Engineering Armv8-A Systems: A practical guide to Kernel, Firmware, and TrustZone analysis' tác giả cuốn sách (tiếng Anh), (nhà xuất bản Packt)

• Tác giả của 'Cấu trúc và Nguyên lý của Linux Kernel thông qua Debugging' (năm 2021, Giải thưởng Sách Xuất sắc của Viện Hàn lâm Khoa học Hàn Quốc)

• Tác giả của 'Cấu trúc và nguyên lý kiến trúc Arm cho phát triển phần mềm hệ thống' (2024, Giải thưởng sách xuất sắc của Viện Hàn lâm Khoa học Hàn Quốc)

• 'Programmers Dev Course: Chuyên gia hệ thống Linux và kernel' Giảng viên chính (khóa 1~2)

• Tháng 6 năm 2022, Hội nghị Khoa học Máy tính Tổng hợp Hàn Quốc (KCC2022) - Bài thuyết trình hướng dẫn [Chinh phục kernel Linux bằng ftrace]

• LG Electronics - Giảng viên nội bộ về 'Linux Kernel' và 'Kiến trúc Armv8' (bao gồm các nhà phát triển trong nước và nước ngoài) - (2020~2024)

Tôi có thể tự tin nói rằng tôi là một giảng viên có thể giải thích các chức năng chính cấu thành nên nhân Linux tốt hơn bất kỳ ai khác trong nước.

Những điều cần lưu ý trước khi học