linux工做队列

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1. 什么是workqueue
       Linux中的Workqueue机制就是为了简化内核线程的建立。经过调用workqueue的接口就能建立内核线程。而且能够根据当前系统CPU的个数建立线程的数量，使得线程处理的事务可以并行化。workqueue是内核中实现简单而有效的机制，他显然简化了内核daemon的建立，方便了用户的编程.

      工做队列（workqueue）是另一种将工做推后执行的形式.工做队列能够把工做推后，交由一个内核线程去执行，也就是说，这个下半部分能够在进程上下文中执行。最重要的就是工做队列容许被从新调度甚至是睡眠。

2. 数据结构
     咱们把推后执行的任务叫作工做（work），描述它的数据结构为work_struct:

 

struct work_struct {
    atomic_long_t data;       /*工做处理函数func的参数*/
#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;        /*链接工做的指针*/
    work_func_t func;              /*工做处理函数*/
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
    struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

 

      这些工做以队列结构组织成工做队列（workqueue），其数据结构为workqueue_struct:

struct workqueue_struct {
 struct cpu_workqueue_struct *cpu_wq;
 struct list_head list;
 const char *name;   /*workqueue name*/
 int singlethread;   /*是否是单线程 - 单线程咱们首选第一个CPU -0表示采用默认的工做者线程event*/
 int freezeable;  /* Freeze threads during suspend */
 int rt;
};

     若是是多线程，Linux根据当前系统CPU的个数建立cpu_workqueue_struct 其结构体就是:

truct cpu_workqueue_struct {
 spinlock_t lock;/*由于工做者线程须要频繁的处理链接到其上的工做，因此须要枷锁保护*/
 struct list_head worklist;
 wait_queue_head_t more_work;
 struct work_struct *current_work; /*当前的work*/
 struct workqueue_struct *wq;   /*所属的workqueue*/
 struct task_struct *thread; /*任务的上下文*/
} ____cacheline_aligned;

       在该结构主要维护了一个任务队列，以及内核线程须要睡眠的等待队列，另外还维护了一个任务上下文，即task_struct。
       三者之间的关系以下：

 

3. 建立工做
3.1 建立工做queue
a. create_singlethread_workqueue(name)
        该函数的实现机制以下图所示，函数返回一个类型为struct workqueue_struct的指针变量，该指针变量所指向的内存地址在函数内部调用kzalloc动态生成。因此driver在再也不使用该work queue的状况下调用:

        void destroy_workqueue(struct workqueue_struct *wq)来释放此处的内存地址。

 

        图中的cwq是一per-CPU类型的地址空间。对于create_singlethread_workqueue而言，即便是对于多CPU系统，内核也只负责建立一个worker_thread内核进程。该内核进程被建立以后，会先定义一个图中的wait节点，而后在一循环体中检查cwq中的worklist，若是该队列为空，那么就会把wait节点加入到cwq中的more_work中，而后休眠在该等待队列中。

        Driver调用queue_work（struct workqueue_struct *wq, struct work_struct *work）向wq中加入工做节点。work会依次加在cwq->worklist所指向的链表中。queue_work向cwq->worklist中加入一个work节点，同时会调用wake_up来唤醒休眠在cwq->more_work上的worker_thread进程。wake_up会先调用wait节点上的autoremove_wake_function函数，而后将wait节点从cwq->more_work中移走。

        worker_thread再次被调度，开始处理cwq->worklist中的全部work节点...当全部work节点处理完毕，worker_thread从新将wait节点加入到cwq->more_work，而后再次休眠在该等待队列中直到Driver调用queue_work...

b. create_workqueue

 

 

 

 

       相对于create_singlethread_workqueue, create_workqueue一样会分配一个wq的工做队列，可是不一样之处在于，对于多CPU系统而言，对每个CPU，都会为之建立一个per-CPU的cwq结构，对应每个cwq，都会生成一个新的worker_thread进程。可是当用queue_work向cwq上提交work节点时，是哪一个CPU调用该函数，那么便向该CPU对应的cwq上的worklist上增长work节点。

c.小结
       当用户调用workqueue的初始化接口create_workqueue或者create_singlethread_workqueue对workqueue队列进行初始化时，内核就开始为用户分配一个workqueue对象，而且将其链到一个全局的workqueue队列中。而后Linux根据当前CPU的状况，为workqueue对象分配与CPU个数相同的cpu_workqueue_struct对象，每一个cpu_workqueue_struct对象都会存在一条任务队列。紧接着，Linux为每一个cpu_workqueue_struct对象分配一个内核thread，即内核daemon去处理每一个队列中的任务。至此，用户调用初始化接口将workqueue初始化完毕，返回workqueue的指针。

        workqueue初始化完毕以后，将任务运行的上下文环境构建起来了，可是具体尚未可执行的任务，因此，须要定义具体的work_struct对象。而后将work_struct加入到任务队列中，Linux会唤醒daemon去处理任务。

       上述描述的workqueue内核实现原理能够描述以下：

 

 

 

3.2  建立工做
       要使用工做队列，首先要作的是建立一些须要推后完成的工做。能够经过DECLARE_WORK在编译时静态地建该结构：
       DECLARE_WORK(name,void (*func) (void *), void *data);
      这样就会静态地建立一个名为name，待执行函数为func，参数为data的work_struct结构。
      一样，也能够在运行时经过指针建立一个工做：
      INIT_WORK(structwork_struct *work, woid(*func) (void *), void *data);

4. 调度
a. schedule_work

       在大多数状况下, 并不须要本身创建工做队列，而是只定义工做, 将工做结构挂接到内核预约义的事件工做队列中调度, 在kernel/workqueue.c中定义了一个静态全局量的工做队列static struct workqueue_struct *keventd_wq;默认的工做者线程叫作events/n，这里n是处理器的编号，每一个处理器对应一个线程。好比，单处理器的系统只有events/0这样一个线程。而双处理器的系统就会多一个events/1线程。
       调度工做结构, 将工做结构添加到全局的事件工做队列keventd_wq，调用了queue_work通用模块。对外屏蔽了keventd_wq的接口，用户无需知道此参数，至关于使用了默认参数。keventd_wq由内核本身维护，建立，销毁。这样work立刻就会被调度，一旦其所在的处理器上的工做者线程被唤醒，它就会被执行。

b. schedule_delayed_work(&work,delay);
      有时候并不但愿工做立刻就被执行，而是但愿它通过一段延迟之后再执行。在这种状况下，同时也能够利用timer来进行延时调度，到期后才由默认的定时器回调函数进行工做注册。延迟delay后，被定时器唤醒，将work添加到工做队列wq中。

      工做队列是没有优先级的，基本按照FIFO的方式进行处理。

 5. 示例

#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");/*建立一个单线程的工做队列*/
      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);

序号	接口函数	说明
1	create_workqueue	用于建立一个workqueue队列，为系统中的每一个CPU都建立一个内核线程。输入参数： @name：workqueue的名称
2	create_singlethread_workqueue	用于建立workqueue，只建立一个内核线程。输入参数： @name：workqueue名称
3	destroy_workqueue	释放workqueue队列。输入参数： @ workqueue_struct：须要释放的workqueue队列指针
4	schedule_work	调度执行一个具体的任务，执行的任务将会被挂入Linux系统提供的workqueue——keventd_wq输入参数： @ work_struct：具体任务对象指针
5	schedule_delayed_work	延迟必定时间去执行一个具体的任务，功能与schedule_work相似，多了一个延迟时间，输入参数： @work_struct：具体任务对象指针 @delay：延迟时间
6	queue_work	调度执行一个指定workqueue中的任务。输入参数： @ workqueue_struct：指定的workqueue指针 @work_struct：具体任务对象指针
7	queue_delayed_work	延迟调度执行一个指定workqueue中的任务，功能与queue_work相似，输入参数多了一个delay。

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