Linux中Workqueue机制分析

什么是 workqueue ？

Linux 中的Workqueue 机制就是为了简化kernel线程的建立。通过呼叫workqueue 的介面就能建立kernel线程。并且可以根据当前系统CPU的个数建立线程的数量，使得线程处理的事务能够并行化。

workqueue 是kernel中实现简单而有效的机制，他显然简化了kerneldaemon 的建立，方便了用户的编程，

Workqueue 机制的实现

Workqueue 机制中定义了两个重要的数据结构，分析如下：

1、 cpu_workqueue_struct 结构。该结构将CPU和kernel线程进行了绑定。在建立workqueue 的过程中， Linux 根据当前系统CPU的个数建立cpu_workqueue_struct 。在该结构主要维护了一个任务队列，以及kernel线程需要睡眠的等待队列，另外还维护了一个任务上下文，即task_struct 。

2、 work_struct 结构是对任务的抽象。在该结构中需要维护具体的任务方法，需要处理的数据，以及任务处理的时间。该结构定义如下：

struct work_struct {
unsigned long pending;
struct list_head entry;/* 将任务挂载到queue 的挂载点*/
void (*func)(void *); /* 任务方法 */
void *data; /* 任务处理的数据*/
void *wq_data; /* work 的属主 */
strut timer_list timer;/* 任务延时处理定时器*/
};

当用户呼叫workqueue 的初始化介面create_workqueue 或者create_singlethread_workqueue 对workqueue 队列进行初始化时，kernel就开始为用户分配一个workqueue 对象，并且将其链到一个全局的workqueue 队列中。然后Linux 根据当前CPU的情况，为workqueue 对象分配与CPU个数相同的cpu_workqueue_struct 对象，每个cpu_workqueue_struct 对像都会存在一条任务队列。紧接着， Linux 为每个cpu_workqueue_struct 对象分配一个kernelthread ，即kerneldaemon 去处理每个队列中的任务。至此，用户呼叫初始化介面将workqueue 初始化完毕，返回workqueue 的指标。

在初始化workqueue 过程中，kernel需要初始化kernel线程，注册的kernel线程工作比较简单，就是不断的扫描对应cpu_workqueue_struct 中的任务队列，从中获取一个有效任务，然后执行该任务。所以如果任务队列为空，那么kerneldaemon 就在cpu_workqueue_struct 中的等待队列上睡眠，直到有人唤醒daemon 去处理任务队列。

Workqueue 初始化完毕之后，将任务运行的上下文环境构建起来了，但是具体还没有可执行的任务，所以，需要定义具体的work_struct 对象。然后将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 kernel实现原理可以描述如下：



在Workqueue 机制中，提供了一个系统默认的workqueue 队列—— keventd_wq ，这个队列是Linux 系统在初始化的时候就建立的。用户可以直接初始化一个work_struct 对象，然后在该队列中进行调度，使用更加方便。

Workqueue 编程介面

1
create_workqueue
用于建立一个workqueue 队列，为系统中的每个CPU都建立一个kernel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kernel线程。

输入参数：
@name ： workqueue 名称

3
destroy_workqueue
释放 workqueue 队列。

输入参数：
@ workqueue_struct ：需要释放的workqueue 队列指标

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 ：具体任务对象指标

5
schedule_delayed_work
延迟一定时间去执行一个具体的任务，功能与schedule_work 类似，多了一个延迟时间，

输入参数：
@work_struct ：具体任务对象指标
@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 指标
@work_struct ：具体任务对象指标

7
queue_delayed_work
延迟调度执行一个指定workqueue 中的任务，功能与queue_work 类似，输入参数多了一个delay 。

基本顺序

1.创建工作队列
struct workqueue_struct *create_workqueue(const char *name);
struct workqueue_struct *create_singlethread_workqueue(const char *name);
2.创建工作
DECLARE_WORK(name, void (*function)(void *), void *data);
//一个函数搞定定义和初始化
INIT_WORK(struct work_struct *work, void (*function)(void *), void *data);
PREPARE_WORK(struct work_struct *work, void (*function)(void *), void *data);
//要先定义work_struct,再调用这两个函数
//INIT_WORK做更全的初始化，若需要改变工作队列，则用PREPARE_WORK

3.提交工作给一个工作队列
int queue_work(struct workqueue_struct *queue, struct work_struct *work);
int queue_delayed_work(struct workqueue_struct *queue, struct work_struct *work, unsigned long delay);
//返回0，添加成功，非0表明已存在此工作
int cancel_delayed_work(struct work_struct *work);
//返回非0，取消成功，返回0，取消不成功，工作仍在运行
void flush_workqueue(struct workqueue_struct *queue);
//确保cancel_delayed_work调用返回0后，停止运行工作

4.删除队列
void destroy_workqueue(struct workqueue_struct *queue);
//用完后删掉工作队列