Linux workqueue工作原理

1. 什麼是workqueue
       Linux中的Workqueue機制就是為了簡化核心線程的建立。通過調用workqueue的介面就能建立核心線程。並且可以根據當前系統CPU的個數建立線程的數量，使得線程處理的事務能夠並行化。workqueue是核心中實現簡單而有效機制，他顯然簡化了核心daemon的建立，方便了使用者的編程.

      工作隊列（workqueue）是另外一種將工作推後執行的形式.工作隊列可以把工作推後，交由一個核心線程去執行，也就是說，這個下半部分可以在進程上下文中執行。最重要的就是工作隊列允許被重新調度甚至是睡眠。

2. 資料結構
     我們把推後執行的任務叫做工作（work），描述它的資料結構為work_struct:

 

struct work_struct {    atomic_long_t data;       /*工作處理函數func的參數*/#define WORK_STRUCT_PENDING 0        /* T if work item pending execution */#define WORK_STRUCT_STATIC 1        /* static initializer (debugobjects) */#define WORK_STRUCT_FLAG_MASK (3UL)#define WORK_STRUCT_WQ_DATA_MASK (~WORK_STRUCT_FLAG_MASK)    struct list_head entry;        /*串連工作的指標*/    work_func_t func;              /*工作處理函數*/#ifdef CONFIG_LOCKDEP    struct lockdep_map lockdep_map;#endif};

      這些工作以隊列結構組織成工作隊列（workqueue），其資料結構為workqueue_struct:

struct workqueue_struct { struct cpu_workqueue_struct *cpu_wq; struct list_head list; const char *name;   /*workqueue name*/ int singlethread;   /*是不是單線程 - 單線程我們首選第一個CPU -0表示採用預設的工作者線程event*/ int freezeable;  /* Freeze threads during suspend */ int rt;}; 

     如果是多線程，Linux根據當前系統CPU的個數建立cpu_workqueue_struct 其結構體就是:

truct cpu_workqueue_struct { spinlock_t lock;/*因為工作者線程需要頻繁的處理串連到其上的工作，所以需要枷鎖保護*/ struct list_head worklist; wait_queue_head_t more_work; struct work_struct *current_work; /*當前的work*/ struct workqueue_struct *wq;   /*所屬的workqueue*/ struct task_struct *thread; /*任務的上下文*/} ____cacheline_aligned;

       在該結構主要維護了一個任務隊列，以及核心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。
       三者之間的關係如下：

 

3. 建立工作
3.1 建立工作queue
a. create_singlethread_workqueue(name)
        該函數的實現機制如所示，函數返回一個類型為struct workqueue_struct的指標變數，該指標變數所指向的記憶體位址在函數內部調用kzalloc動態產生。所以driver在不再使用該work queue的情況下調用:

        void destroy_workqueue(struct workqueue_struct *wq)來釋放此處的記憶體位址。

 

        圖中的cwq是一per-CPU類型的地址空間。對於create_singlethread_workqueue而言，即使是對於多CPU系統，核心也只負責建立一個worker_thread核心進程。該核心進程被建立之後，會先定義一個圖中的wait節點，然後在一迴圈體中檢查cwq中的worklist，如果該隊列為空白，那麼就會把wait節點加入到cwq中的more_work中，然後休眠在該等待隊列中。

        Driver調用queue_work（struct workqueue_struct *wq, struct work_struct *work）向wq中加入工作節點。work會依次加在cwq->worklist所指向的鏈表中。queue_work向cwq->worklist中加入一個work節點，同時會調用wake_up來喚醒休眠在cwq->more_work上的worker_thread進程。wake_up會先調用wait節點上的autoremove_wake_function函數，然後將wait節點從cwq->more_work中移走。

        worker_thread再次被調度，開始處理cwq->worklist中的所有work節點...當所有work節點處理完畢，worker_thread重新將wait節點加入到cwq->more_work，然後再次休眠在該等待隊列中直到Driver調用queue_work...

b. create_workqueue

 

 

 

       相對於create_singlethread_workqueue, create_workqueue同樣會分配一個wq的工作隊列，但是不同之處在於，對於多CPU系統而言，對每一個CPU，都會為之建立一個per-CPU的cwq結構，對應每一個cwq，都會產生一個新的worker_thread進程。但是當用queue_work向cwq上提交work節點時，是哪個CPU調用該函數，那麼便向該CPU對應的cwq上的worklist上增加work節點。

c.小結
       當使用者調用workqueue的初始化介面create_workqueue或者create_singlethread_workqueue對workqueue隊列進行初始化時，核心就開始為使用者指派一個workqueue對象，並且將其鏈到一個全域的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對象分配一個核心thread，即核心daemon去處理每個隊列中的任務。至此，使用者調用初始化介面將workqueue初始化完畢，返回workqueue的指標。

        workqueue初始化完畢之後，將任務啟動並執行上下文環境構建起來了，但是具體還沒有可執行檔任務，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核心實現原理可以描述如下：

 

 

3.2  建立工作
       要使用工作隊列，首先要做的是建立一些需要推後完成的工作。可以通過DECLARE_WORK在編譯時間靜態地建該結構：
       DECLARE_WORK(name,void (*func) (void *), void *data);
      這樣就會靜態地建立一個名為name，待執行函數為func，參數為data的work_struct結構。
      同樣，也可以在運行時通過指標建立一個工作：
      INIT_WORK(structwork_struct *work, woid(*func) (void *), void *data);

4. 調度
a. schedule_work

       在大多數情況下, 並不需要自己建立工作隊列，而是只定義工作, 將工作結構掛接到核心預定義的事件工作隊列中調度, 在kernel/workqueue.c中定義了一個靜態全域量的工作隊列static struct workqueue_struct *keventd_wq;預設的工作者線程叫做events/n，這裡n是處理器的編號，每個處理器對應一個線程。比如，單一處理器的系統只有events/0這樣一個線程。而雙處理器的系統就會多一個events/1線程。
       調度工作結構, 將工作結構添加到全域的事件工作隊列keventd_wq，調用了queue_work通用模組。對外屏蔽了keventd_wq的介面，使用者無需知道此參數，相當於使用了預設參數。keventd_wq由核心自己維護，建立，銷毀。這樣work馬上就會被調度，一旦其所在的處理器上的工作者線程被喚醒，它就會被執行。

b. schedule_delayed_work(&work,delay);
      有時候並不希望工作馬上就被執行，而是希望它經過一段延遲以後再執行。在這種情況下，同時也可以利用timer來進行延時調度，到期後才由預設的定時器回呼函數進行工作註冊。延遲delay後，被定時器喚醒，將work添加到工作隊列wq中。

      工作隊列是沒有優先順序的，基本按照FIFO的方式進行處理。

 5. 樣本

#include <linux/module.h>#include <linux/init.h>#include <linux/workqueue.h>static struct workqueue_struct *queue=NULL;static struct work_struct   work;staticvoid work_handler(struct work_struct *data){       printk(KERN_ALERT"work handler function.\n");}static int __init test_init(void){      queue=create_singlethread_workqueue("hello world");/*建立一個單線程的工作隊列*/      if (!queue)            goto err;       INIT_WORK(&work,work_handler);       schedule_work(&work);      return0;err:      return-1;}static   void __exit test_exit(void){       destroy_workqueue(queue);}MODULE_LICENSE("GPL");module_init(test_init);module_exit(test_exit);

序號	介面函數	說明
1	create_workqueue	用於建立一個workqueue隊列，為系統中的每個CPU都建立一個核心線程。輸入參數： @name：workqueue的名稱
2	create_singlethread_workqueue	用於建立workqueue，只建立一個核心線程。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隊列指標
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：具體任務對象指標
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：具體任務對象指標 @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指標 @work_struct：具體任務對象指標
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。

轉自：http://bgutech.blog.163.com/blog/static/18261124320116181119889/