linux工作队列 - workqueue总览

最新推荐文章于 2023-12-01 17:41:12 发布

gomogomono

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分类专栏： Linux系统文章标签： c语言工作 linux 工作队列

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本文深入解析CMWQ（Concurrency Managed Workqueue）的工作原理及其在Linux内核中的应用。重点介绍了CMWQ的设计背景、框架结构及如何通过API进行操作。

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workqueue归入中断子系统是由于和中断处理有密切关系，写博客重要在于整理自己的思绪，写的时候会把一些不懂的细节问题暴露出来，这样会把问题看的更透彻，workqueue的代码在文件kernel/workqueue.c中，大约5K+行，本文基于linux 4.6.3编写，由于能力有限，本文介绍不全面或者理解有误之处还请见谅，欢迎指正一起探讨。

文章系列

1.linux工作队列 - workqueue总览
2.linux工作队列 - workqueue_struct创建
3.linux工作队列 - 把work_struct加入工作队列
4.linux工作队列 - work_struct被调用过程

1.介绍

1.1工作队列介绍

有许多情况下需要异步执行进程上下文，在linux中工作队列（wq）是处理这种情况最常用的机制。在处理中断中，对于中断下半部的处理最常用的就是wq。

1.2CMWQ

在原有的wq实现中，一个多线程wq（MT wq）有一个per CPU worker线程，一个单线程wq有一个系统范围的worker线程。多线程wq（MT wq）的数量保持和cpu的个数一致，随着近年来cpu core个数的增加，多线程wq（MT wq）的增加已经使得系统在32k PID的控件接近饱和。

虽然MT wq消耗了大量资源，但是提供的并发执行水平还是得不到满足。即使MT有很少的服务但是ST wq和MT wq还是有限制。每个wq有自己单独的worker pool，MTwq智能在per CPU执行，而STwq可以在整个系统执行。

CMWQ（Concurrency Managed Workqueue）是对原有wq的一个重新实现，主要解决以下问题：
a. API要能够兼容以前的wq实现
b. 使用per-CPU的worker pool要能够被所有的wq所共享，以便提供更好的并发灵活性，以免浪费资源
c. 对于使用者要隐藏细节

2.workqueue设计框架

工作队列的整体设计框架如下图，这里有多个结构体，他们之间的关系下面说明

这里写图片描述

work_struct结构体代表的是一个任务，它指向一个待异步执行的函数，不管驱动还是子系统什么时候要执行这个函数，都必须把work加入到一个workqueue。

worker结构体代表一个工作者线程（worker thread），它主要一个接一个的执行挂入到队列中的work，如果没有work了，那么工作者线程就挂起，这些工作者线程被worker-pool管理。

对于驱动和子系统的开发人员来说，接触到的只有work，而背后的处理机制是管理worker-pool和处理挂入的work，这就是CMWQ设计的不同。

worker-pool结构体用来管理worker，对于每一种worker pool都分两种情况：一种是处理普通work，另一种是处理高优先级的work。

workqueue_struct结构体代表的是工作队列，工作队列分unbound workqueue和bound workqueue。bound workqueue就是绑定到cpu上的，挂入到此队列中的work只会在相对应的cpu上运行。unbound workqueue不绑定到特定的cpu，而且后台线程池的数量也是动态的，具体workqueue关联到哪个worker pool，这是由workqueue_attrs决定的。

3.workqueue用法

工作队列从字面意义上很好理解，虽然背后的实现机制有点复杂，但是使用的时候还是简单方便的，对于使用者来说，我们只要定义一个work，然后把work加入到workqueue。如果当前没有我们需要的workqueue，那么我们需要自己创建一个。

下文各个API的具体说明见include/linux/workqueue.h

3.1workqueue_struct创建与销毁

//创建workqueue_struct

#define alloc_ordered_workqueue(fmt, flags, args...)            \
    alloc_workqueue(fmt, WQ_UNBOUND | __WQ_ORDERED | (flags), 1, ##args)

#define create_workqueue(name)                      \
    alloc_workqueue("%s", __WQ_LEGACY | WQ_MEM_RECLAIM, 1, (name))

#define create_freezable_workqueue(name)                \
    alloc_workqueue("%s", __WQ_LEGACY | WQ_FREEZABLE | WQ_UNBOUND | \
            WQ_MEM_RECLAIM, 1, (name))

#define create_singlethread_workqueue(name)             \
    alloc_ordered_workqueue("%s", __WQ_LEGACY | WQ_MEM_RECLAIM, name)

//销毁workqueue_struct
extern void destroy_workqueue(struct workqueue_struct *wq);

由上可以看出workqueue的创建根据flag的不同会创建不同种类的workqueue，但最终都会调用到接口alloc_workqueue，具体workqueue创建的过程及代码分析见文章linux工作队列 - workqueue_struct创建。

3.2初始化work_struct

#define INIT_WORK(_work, _func)                     \
    __INIT_WORK((_work), (_func), 0)

#define INIT_WORK_ONSTACK(_work, _func)                 \
    __INIT_WORK((_work), (_func), 1)
#define INIT_DELAYED_WORK(_work, _func)                 \
    __INIT_DELAYED_WORK(_work, _func, 0)

#define INIT_DELAYED_WORK_ONSTACK(_work, _func)             \
    __INIT_DELAYED_WORK_ONSTACK(_work, _func, 0)

#define INIT_DEFERRABLE_WORK(_work, _func)              \
    __INIT_DELAYED_WORK(_work, _func, TIMER_DEFERRABLE)

#define INIT_DEFERRABLE_WORK_ONSTACK(_work, _func)          \
    __INIT_DELAYED_WORK_ONSTACK(_work, _func, TIMER_DEFERRABLE)

3.3把work_struct加入工作队列

extern bool queue_work_on(int cpu, struct workqueue_struct *wq,
            struct work_struct *work);
extern bool queue_delayed_work_on(int cpu, struct workqueue_struct *wq,
            struct delayed_work *work, unsigned long delay);
extern bool mod_delayed_work_on(int cpu, struct workqueue_struct *wq,
            struct delayed_work *dwork, unsigned long delay);