Linux中Workqueue機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)制分析一遍，一方面對(duì)自己來(lái)說(shuō)也是溫故而知新，另一方面，促進(jìn)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(zhuān)門(mén)軟件開(kāi)發(fā)也接近兩年了，在這一段時(shí)間內(nèi)我越發(fā)認(rèn)為軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是未來(lái)發(fā)展的主流，軟硬件的界限越來(lái)越模糊，軟硬件的設(shè)計(jì)思想是相通的，實(shí)現(xiàn)方法是各異的，實(shí)現(xiàn)的結(jié)果上當(dāng)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(jì)。本著這樣的想法，我想將我所認(rèn)識(shí)的 Linux 分析一遍，特別是一些我認(rèn)為精華和重要的機(jī)制，另外在討論過(guò)程中，我會(huì)插入一些其他的 OS 實(shí)現(xiàn)機(jī)制，進(jìn)行對(duì)比分析，我把這一類(lèi) blog 文章劃歸為“ Linux 機(jī)制分析”，希望大家支持。

什么是 workqueue ?

Linux 中的 Workqueue 機(jī)制就是為了簡(jiǎn)化內(nèi)核線程的創(chuàng)建。通過(guò)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(dāng)前系統(tǒng) CPU 的個(gè)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而有效的機(jī)制，他顯然簡(jiǎn)化了內(nèi)核 daemon 的創(chuàng)建，方便了用戶(hù)的編程，

Workqueue 機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

Workqueue 機(jī)制中定義了兩個(gè)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(jìn)行了綁定。在創(chuàng)建 workqueue 的過(guò)程中， Linux 根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng) CPU 的個(gè)數(shù)創(chuàng)建 cpu_workqueue_struct 。在該結(jié)構(gòu)主要維護(hù)了一個(gè)任務(wù)隊(duì)列，以及內(nèi)核線程需要睡眠的等待隊(duì)列，另外還維護(hù)了一個(gè)任務(wù)上下文，即 task_struct 。

2、work_struct 結(jié)構(gòu)是對(duì)任務(wù)的抽象。在該結(jié)構(gòu)中需要維護(hù)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(shí)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(diǎn) */

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(shí)處理定時(shí)器 */

};

當(dāng)用戶(hù)調(diào)用 workqueue 的初始化接口 create_workqueue 或者 create_singlethread_workqueue 對(duì) workqueue 隊(duì)列進(jìn)行初始化時(shí)，內(nèi)核就開(kāi)始為用戶(hù)分配一個(gè) workqueue 對(duì)象，并且將其鏈到一個(gè)全局的 workqueue 隊(duì)列中。然后 Linux 根據(jù)當(dāng)前 CPU 的情況，為 workqueue 對(duì)象分配與 CPU 個(gè)數(shù)相同的 cpu_workqueue_struct 對(duì)象，每個(gè) cpu_workqueue_struct 對(duì)象都會(huì)存在一條任務(wù)隊(duì)列。緊接著， Linux 為每個(gè) cpu_workqueue_struct 對(duì)象分配一個(gè)內(nèi)核 thread ，即內(nèi)核 daemon 去處理每個(gè)隊(duì)列中的任務(wù)。至此，用戶(hù)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(guò)程中，內(nèi)核需要初始化內(nèi)核線程，注冊(cè)的內(nèi)核線程工作比較簡(jiǎn)單，就是不斷的掃描對(duì)應(yīng) cpu_workqueue_struct 中的任務(wù)隊(duì)列，從中獲取一個(gè)有效任務(wù)，然后執(zhí)行該任務(wù)。所以如果任務(wù)隊(duì)列為空，那么內(nèi)核 daemon 就在 cpu_workqueue_struct 中的等待隊(duì)列上睡眠，直到有人喚醒 daemon 去處理任務(wù)隊(duì)列。

Workqueue 初始化完畢之后，將任務(wù)運(yùn)行的上下文環(huán)境構(gòu)建起來(lái)了，但是具體還沒(méi)有可執(zhí)行的任務(wù)，所以，需要定義具體的 work_struct 對(duì)象。然后將 work_struct 加入到任務(wù)隊(duì)列中， Linux 會(huì)喚醒 daemon 去處理任務(wù)。

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

在 Workqueue 機(jī)制中，提供了一個(gè)系統(tǒng)默認(rèn)的 workqueue 隊(duì)列—— keventd_wq ，這個(gè)隊(duì)列是 Linux系統(tǒng)在初始化的時(shí)候就創(chuàng)建的。用戶(hù)可以直接初始化一個(gè) work_struct 對(duì)象，然后在該隊(duì)列中進(jìn)行調(diào)度，使用更加方便。

Workqueue 編程接口