Linux内核实践之工作队列

Posted 2020-09-30 专注it

 工作队列（work queue）是另外一种将工作推后执行的形式，它和tasklet有所不同。工作队列可以把工作推后，交由一个内核线程去执行，也就是说，这个下半部分可以在进程上下文中执行。这样，通过工作队列执行的代码能占尽进程上下文的所有优势。最重要的就是工作队列允许被重新调度甚至是睡眠。

 

       那么，什么情况下使用工作队列，什么情况下使用tasklet。如果推后执行的任务需要睡眠，那么就选择工作队列。如果推后执行的任务不需要睡眠，那么就选择tasklet。另外，如果需要用一个可以重新调度的实体来执行你的下半部处理，也应该使用工作队列。它是唯一能在进程上下文运行的下半部实现的机制，也只有它才可以睡眠。这意味着在需要获得大量的内存时、在需要获取信号量时，在需要执行阻塞式的I/O操作时，它都会非常有用。如果不需要用一个内核线程来推后执行工作，那么就考虑使用tasklet。

 

1.     工作、工作队列和工作者线程

        如前所述，我们把推后执行的任务叫做工作（work），描述它的数据结构为work_struct，这些工作以队列结构组织成工作队列（workqueue），其数据结构为workqueue_struct，而工作线程就是负责执行工作队列中的工作。系统默认的工作者线程为events,自己也可以创建自己的工作者线程。

 

2.表示工作的数据结构

工作用<linux/workqueue.h>中定义的work_struct结构表示：

struct work_struct {

         atomic_long_t data;

#define WORK_STRUCT_PENDING 0            /* T if work item pending execution */

#define WORK_STRUCT_FLAG_MASK (3UL)

#define WORK_STRUCT_WQ_DATA_MASK (~WORK_STRUCT_FLAG_MASK)

         struct list_head entry;

         work_func_t func;

#ifdef CONFIG_LOCKDEP

         struct lockdep_map lockdep_map;

#endif

};

      这些结构被连接成链表。当一个工作者线程被唤醒时，它会执行它的链表上的所有工作。工作被执行完毕，它就将相应的work_struct对象从链表上移去。当链表上不再有对象的时候，它就会继续休眠。

 

3.创建推后的工作

       要使用工作队列，首先要做的是创建一些需要推后完成的工作。可以通过DECLARE_WORK在编译时静态地建该结构：

DECLARE_WORK(name, void (*func) (void*), void *data);

       这样就会静态地创建一个名为name，待执行函数为func，参数为data的work_struct结构。

同样，也可以在运行时通过指针创建一个工作：

INIT_WORK(struct work_struct *work, woid(*func) (void *), void *data);

这会动态地初始化一个由work指向的工作。

 

4. 工作队列中待执行的函数

       工作队列待执行的函数原型是：

void work_handler(void*data)

        这个函数会由一个工作者线程执行，因此，函数会运行在进程上下文中。默认情况下，允许响应中断，并且不持有任何锁。如果需要，函数可以睡眠。需要注意的是，尽管该函数运行在进程上下文中，但它不能访问用户空间，因为内核线程在用户空间没有相关的内存映射。通常在系统调用发生时，内核会代表用户空间的进程运行，此时它才能访问用户空间，也只有在此时它才会映射用户空间的内存。

 

5. 对工作进行调度

        现在工作已经被创建，我们可以调度它了。想要把给定工作的待处理函数提交给缺省的events工作线程，只需调用

schedule_work(&work)；

        work马上就会被调度，一旦其所在的处理器上的工作者线程被唤醒，它就会被执行。

有时候并不希望工作马上就被执行，而是希望它经过一段延迟以后再执行。在这种情况下，可以调度它在指定的时间执行：

schedule_delayed_work(&work,delay);

这时，&work指向的work_struct直到delay指定的时钟节拍用完以后才会执行。

上面内容部分摘自：http://blog.csdn.net/zyhorse2010/article/details/6455026

 

6. 工作队列的简单应用

       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创建的。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。

 

        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，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对象都会存在一条任务队列。紧接着，Linux为每个cpu_workqueue_struct对象分配一个内核thread，即内核daemon去处理每个队列中的任务。至此，用户调用初始化接口将workqueue初始化完毕，返回workqueue的指针。

 

       在初始化workqueue过程中，内核需要初始化内核线程，注册的内核线程工作比较简单，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，那么内核daemon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。

上面内容摘自：http://hi.baidu.com/%CD%EA%C3%C0%CB%C4%C4%EA/blog/item/412b8833ca91b2e61b4cff5b.html

 

7.补充与实验

      对于内核现成的队列，我们初始化完work后直接用queue_schedule加入系统默认的workqueue队列——keventd_wq并调度执行，对于我们从新创建的工作队列，需要用create_queue来创建work_queue，然后初始化work，最后，还需要使用queue_work加入我们创建的工作队列并调度执行。

 

下面是一个两种方案的使用例子：

#include <linux/init.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/module.h>

MODULE_AUTHOR("Mike Feng");

/*测试数据结构*/

struct my_data

{

         structwork_struct my_work;

         intvalue; 

};

struct workqueue_struct *wq=NULL;

struct work_struct work_queue;

/*初始化我们的测试数据*/

struct my_data* init_data(structmy_data *md)

{

         md=(structmy_data*)kmalloc(sizeof(struct my_data),GFP_KERNEL);

         md->value=1;

         md->my_work=work_queue;

         returnmd;

}

/*工作队列函数*/

static void work_func(struct work_struct *work)

{

         structmy_data *md=container_of(work,structmy_data,my_work);

         printk("<2>""Thevalue of my data is:%d\n",md->value);

}

static __init intwork_init(void)

{

         structmy_data *md=NULL;

         structmy_data *md2=NULL;

         md2=init_data(md2);

         md=init_data(md);     

         md2->value=20;

         md->value=10;

         /*第一种方式：使用统默认的workqueue队列——keventd_wq，直接调度*/

         INIT_WORK(&md->my_work,work_func);

         schedule_work(&md->my_work);

 

         /*第二种方式：创建自己的工作队列，加入工作到工作队列（加入内核就对其调度执行）*/

         wq=create_workqueue("test");

         INIT_WORK(&md2->my_work,work_func);

         queue_work(wq,&md2->my_work);    

         return0;

}

static void work_exit(void)

{

         /*工作队列销毁*/

         destroy_workqueue(wq);

}

module_init(work_init);

module_exit(work_exit);

 

实验结果：