linux工作隊列

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1. 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的介面就能創建內核線程。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.

      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，交由一個內核線程去執行，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. 數據結構
     我們把推後執行的任務叫做工作（work），描述它的數據結構為work_struct:

1. struct work_struct {  
2.     atomic_long_t data;       /*工作處理函數func的參數*/  
3. #define WORK_STRUCT_PENDING 0        /* T if work item pending execution */  
4. #define WORK_STRUCT_STATIC 1        /* static initializer (debugobjects) */  
5. #define WORK_STRUCT_FLAG_MASK (3UL)  
6. #define WORK_STRUCT_WQ_DATA_MASK (~WORK_STRUCT_FLAG_MASK)  
7.     struct list_head entry;        /*連接工作的指針*/  
8.     work_func_t func;              /*工作處理函數*/  
9. #ifdef CONFIG_LOCKDEP  
10.     struct lockdep_map lockdep_map;  
11. #endif  
12. };  

      這些工作以隊列結構組織成工作隊列（workqueue），其數據結構為workqueue_struct:

1. struct workqueue_struct {  
2.  struct cpu_workqueue_struct *cpu_wq;  
3.  struct list_head list;  
4.  const char *name;   /*workqueue name*/  
5.  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*/  
6.  int freezeable;  /* Freeze threads during suspend */  
7.  int rt;  
8. };   

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

1. truct cpu_workqueue_struct {  
2.  spinlock_t lock;/*因為工作者線程需要頻繁的處理連接到其上的工作，所以需要枷鎖保護*/  
3.  struct list_head worklist;  
4.  wait_queue_head_t more_work;  
5.  struct work_struct *current_work; /*當前的work*/  
6.  struct workqueue_struct *wq;   /*所屬的workqueue*/  
7.  struct task_struct *thread; /*任務的上下文*/  
8. } ____cacheline_aligned;  

       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。
       三者之間的關係如下：

3. 創建工作
3.1 創建工作queue
a. create_singlethread_workqueue(name)
        該函數的實現機制如下圖所示，函數返回一個類型為struct workqueue_struct的指針變數，該指針變數所指向的記憶體地址在函數內部調用kzalloc動態生成。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地址。

        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，內核也只負責創建一個worker_thread內核進程。該內核進程被創建之後，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，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，都會為之創建一個per-CPU的cwq結構，對應每一個cwq，都會生成一個新的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
       當用戶調用workqueue的初始化介面create_workqueue或者create_singlethread_workqueue對workqueue隊列進行初始化時，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，用戶調用初始化介面將workqueue初始化完畢，返回workqueue的指針。

        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：

3.2  創建工作
       要使用工作隊列，首先要做的是創建一些需要推後完成的工作。可以通過DECLARE_WORK在編譯時靜態地建該結構：
       DECLARE_WORK(name,void (*func) (void *), void *data);
      這樣就會靜態地創建一個名為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針創建一個工作：
      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, 將工作結構掛接到內核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局量的工作隊列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局的事件工作隊列keventd_wq，調用了queue_work通用模塊。對外屏蔽了keventd_wq的介面，用戶無需知道此參數，相當於使用了預設參數。keventd_wq由內核自己維護，創建，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調函數進行工作註冊。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. 示例

1. #include <linux/module.h>  
2. #include <linux/init.h>  
3. #include <linux/workqueue.h>  
4.   
5. static struct workqueue_struct *queue=NULL;  
6. static struct work_struct   work;  
7.   
8. staticvoid work_handler(struct work_struct *data)  
9. {  
10.        printk(KERN_ALERT"work handler function.\n");  
11. }  
12.   
13. static int __init test_init(void)  
14. {  
15.       queue=create_singlethread_workqueue("hello world");/*創建一個單線程的工作隊列*/  
16.       if (!queue)  
17.             goto err;  
18.   
19.        INIT_WORK(&work,work_handler);  
20.        schedule_work(&work);  
21.   
22.       return0;  
23. err:  
24.       return-1;  
25. }  
26.   
27. static   void __exit test_exit(void)  
28. {  
29.        destroy_workqueue(queue);  
30. }  
31. MODULE_LICENSE("GPL");  
32. module_init(test_init);  
33. module_exit(test_exit);  

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