Linux中Workqueue機制分析

走入 Linux 的殿堂已經(jīng)有一年有余了，在這里我想將 Linux 的各種實現(xiàn)機制分析一遍，一方面對自己來說也是溫故而知新，另一方面，促進大家的交流，最好能夠給大家一些拋磚引玉的啟迪。我是硬件出身，搞硬件已經(jīng)好多年了，從是專門軟件開發(fā)也接近兩年了，在這一段時間內(nèi)我越發(fā)認為軟硬件協(xié)同設(shè)計是未來發(fā)展的主流，軟硬件的界限越來越模糊，軟硬件的設(shè)計思想是相通的，實現(xiàn)方法是各異的，實現(xiàn)的結(jié)果上當然也存在較大差別，因此，很有必要做好軟硬件的協(xié)同設(shè)計。本著這樣的想法，我想將我所認識的 Linux 分析一遍，特別是一些我認為精華和重要的機制，另外在討論過程中，我會插入一些其他的 OS 實現(xiàn)機制，進行對比分析，我把這一類 blog 文章劃歸為“ Linux 機制分析”，希望大家支持。

什么是 workqueue ?

Linux 中的 Workqueue 機制就是為了簡化內(nèi)核線程的創(chuàng)建。通過調(diào)用 workqueue 的接口就能創(chuàng)建內(nèi)核線程。并且可以根據(jù)當前系統(tǒng) CPU 的個數(shù)創(chuàng)建線程的數(shù)量，使得線程處理的事務(wù)能夠并行化。

workqueue 是內(nèi)核中實現(xiàn)簡單而有效的機制，他顯然簡化了內(nèi)核 daemon 的創(chuàng)建，方便了用戶的編程，

Workqueue 機制的實現(xiàn)

Workqueue 機制中定義了兩個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分析如下：

1、cpu_workqueue_struct 結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將 CPU 和內(nèi)核線程進行了綁定。在創(chuàng)建 workqueue 的過程中， Linux 根據(jù)當前系統(tǒng) CPU 的個數(shù)創(chuàng)建 cpu_workqueue_struct 。在該結(jié)構(gòu)主要維護了一個任務(wù)隊列，以及內(nèi)核線程需要睡眠的等待隊列，另外還維護了一個任務(wù)上下文，即 task_struct 。

2、work_struct 結(jié)構(gòu)是對任務(wù)的抽象。在該結(jié)構(gòu)中需要維護具體的任務(wù)方法，需要處理的數(shù)據(jù)，以及任務(wù)處理的時間。該結(jié)構(gòu)定義如下：

struct work_struct {

unsigned long pending;

struct list_head entry; /* 將任務(wù)掛載到 queue 的掛載點 */

void (*func)(void *); /* 任務(wù)方法 */

void *data; /* 任務(wù)處理的數(shù)據(jù) */

void *wq_data; /* work 的屬主 */

strut timer_list timer; /* 任務(wù)延時處理定時器 */

};

當用戶調(diào)用 workqueue 的初始化接口 create_workqueue 或者 create_singlethread_workqueue 對 workqueue 隊列進行初始化時，內(nèi)核就開始為用戶分配一個 workqueue 對象，并且將其鏈到一個全局的 workqueue 隊列中。然后 Linux 根據(jù)當前 CPU 的情況，為 workqueue 對象分配與 CPU 個數(shù)相同的 cpu_workqueue_struct 對象，每個 cpu_workqueue_struct 對象都會存在一條任務(wù)隊列。緊接著， Linux 為每個 cpu_workqueue_struct 對象分配一個內(nèi)核 thread ，即內(nèi)核 daemon 去處理每個隊列中的任務(wù)。至此，用戶調(diào)用初始化接口將 workqueue 初始化完畢，返回 workqueue 的指針。

在初始化 workqueue 過程中，內(nèi)核需要初始化內(nèi)核線程，注冊的內(nèi)核線程工作比較簡單，就是不斷的掃描對應 cpu_workqueue_struct 中的任務(wù)隊列，從中獲取一個有效任務(wù)，然后執(zhí)行該任務(wù)。所以如果任務(wù)隊列為空，那么內(nèi)核 daemon 就在 cpu_workqueue_struct 中的等待隊列上睡眠，直到有人喚醒 daemon 去處理任務(wù)隊列。

Workqueue 初始化完畢之后，將任務(wù)運行的上下文環(huán)境構(gòu)建起來了，但是具體還沒有可執(zhí)行的任務(wù)，所以，需要定義具體的 work_struct 對象。然后將 work_struct 加入到任務(wù)隊列中， Linux 會喚醒 daemon 去處理任務(wù)。

上述描述的 workqueue 內(nèi)核實現(xiàn)原理可以描述如下：

在 Workqueue 機制中，提供了一個系統(tǒng)默認的 workqueue 隊列—— keventd_wq ，這個隊列是 Linux系統(tǒng)在初始化的時候就創(chuàng)建的。用戶可以直接初始化一個 work_struct 對象，然后在該隊列中進行調(diào)度，使用更加方便。

Workqueue 編程接口