資料來源: Linux中Workqueue機制分析

Linux中Workqueue機制分析

    走入Linux的殿堂已經有一年有餘了，在這裡我想將Linux的各種實現機制分析一遍，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，搞硬件已經好多年了，從是專門軟件開發也接近兩年了，在這一段時間內我越發認為軟硬件協同設計是未來發展的主流，軟硬件的界限越來越模糊，軟硬件的設計思想是相通的，實現方法是各異的，實現的結果上當然也存在較大差別，因此，很有必要做好軟硬件的協同設計。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。

什麼是workqueue？

Linux中的Workqueue機制就是為了簡化內核線程的創建。通過調用workqueue的接口就能創建內核線程。並且可以根據當前系統CPU的個數創建線程的數量，使得線程處理的事務能夠並行化。

workqueue是內核中實現簡單而有效的機制，他顯然簡化了內核daemon的創建，方便了用戶的編程，

Workqueue機制的實現

Workqueue機制中定義了兩個重要的數據結構，分析如下：

1、          cpu_workqueue_struct結構。該結構將CPU和內核線程進行了綁定。在創建workqueue的過程中，Linux根據當前系統CPU的個數創建cpu_workqueue_struct。在該結構主要維護了一個任務隊列，以及內核線程需要睡眠的等待隊列，另外還維護了一個任務上下文，即task_struct。

2、          work_struct結構是對任務的抽象。在該結構中需要維護具體的任務方法，需要處理的數據，以及任務處理的時間。該結構定義如下：

struct work_struct {

              unsigned long pending;

               struct list_head entry;                  /* 將任務掛載到queue的掛載點 */

               void (*func)(void *);                   /* 任務方法 */

               void *data;                                  /* 任務處理的數據*/

               void *wq_data;                           /* work的屬主 */

               strut timer_list timer;                   /* 任務延時處理定時器 */

};

      

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

       在初始化workqueue過程中，內核需要初始化內核線程，註冊的內核線程工作比較簡單，就是不斷的掃瞄對應cpu_workqueue_struct中的任務隊列，從中獲取一個有效任務，然後執行該任務。所以如果任務隊列為空，那麼內核daemon就在cpu_workqueue_struct中的等待隊列上睡眠，直到有人喚醒daemon去處理任務隊列。

       Workqueue初始化完畢之後，將任務運行的上下文環境構建起來了，但是具體還沒有可執行的任務，所以，需要定義具體的work_struct對象。然後將work_struct加入到任務隊列中，Linux會喚醒daemon去處理任務。

       上述描述的workqueue內核實現原理可以描述如下：

    在Workqueue機制中，提供了一個系統默認的workqueue隊列——keventd_wq，這個隊列是Linux系統在初始化的時候就創建的。用戶可以直接初始化一個work_struct對象，然後在該隊列中進行調度，使用更加方便。

Workqueue編程接口

序號	接口函數	說明
1	create_workqueue	用於創建一個workqueue隊列，為系統中的每個CPU都創建一個內核線程。輸入參數： @name：workqueue的名稱
2	create_singlethread_workqueue	用於創建workqueue，只創建一個內核線程。輸入參數： @name：workqueue名稱
3	destroy_workqueue	釋放workqueue隊列。輸入參數： @ workqueue_struct：需要釋放的workqueue隊列指針
4	schedule_work	調度執行一個具體的任務，執行的任務將會被掛入Linux系統提供的workqueue——keventd_wq輸入參數： @ work_struct：具體任務對象指針
5	schedule_delayed_work	延遲一定時間去執行一個具體的任務，功能與schedule_work類似，多了一個延遲時間，輸入參數： @work_struct：具體任務對象指針 @delay：延遲時間
6	queue_work	調度執行一個指定workqueue中的任務。輸入參數： @ workqueue_struct：指定的workqueue指針 @work_struct：具體任務對象指針
7	queue_delayed_work	延遲調度執行一個指定workqueue中的任務，功能與queue_work類似，輸入參數多了一個delay。