Linux内核中的Workqueue机制分析

阅读原文时间：2023年07月09日阅读：2

1. 什么是workqueue

Linux中的workqueue(工作队列)主要是为了简化在内核创建线程而设计的。通过相应的工作队列接口，可以使开发人员只关心与特定功能相关的处理流程，而不必关心内核线程的创建、维护和销毁等工作(这样的工作对于一般人员来说是比较困难的，稍有不慎可能导致系统的崩溃)，大大提高的系统的稳定性和扩展性。
我们可以通过调用workqueue的相关接口函数自动创建内核线程，此外它可以根据需求为每一个cpu核创建一个workqueue, 这对目前的多核并发提供了较好的支持。

2. workqueue的高频使用场合(尤其面试中)

Linux在处理中断的过程中，中断处理函数应尽快的完成，否则将会应用对其他中断的响应，从而影响整个系统的性能。但耗时的操作有时有必不可免，因此Linux为了解决这矛盾，将中断处理流程分成了中断上半部和中断下半部；
中断上半部：主要完成紧急而又不耗时的工作
中断下半部：完成不紧急但比较耗时的操作。下半部在执行过程中，中断被重新使能，因此此时可以响应新的中断，而正在执行的中断下半部被迫停止而去执行新的中断上半部，只有当没有新的中断发生时再去执行中断下半部处理流程。
这与workqueue(工作队列)有什么关系呢?
原因就在于workqueue经常用来处理中断下半部操作，相对于软中断和tasklet，这样做的优势有很多：

workqueue是一个内核进程，工作在进程上下文，可以使用调度器；而软中断和tasklet则工作在中断上下文，不能使用引起调度的函数或者接口。

workqueue作为一个单独的内核线程，可以进行延时或者休眠。

3. workqueue在内核中的组织结构

在workqueue中，涉及的比较重要的数据结构有三个，其组织关系可以如下图表示：
（这只是个简单的缩略图，其结构体其他成员未标出）

3.1 workqueue_struct 结构

struct workqueue_struct {
    struct cpu_workqueue_struct *cpu_wq; /*用于挂接不同cpu核上的同一类工作队列*/
    struct list_head list;
    const char *name;   /*工作队列名字*/
    int singlethread;   /*是否为单线程而不论有一个cpu核*/
    int freezeable;     /* Freeze threads during suspend */
};

3.2 cpu_workqueue_struct 结构

/*
 * The per-CPU workqueue (if single thread, we always use the first
 * possible cpu).
 */
struct cpu_workqueue_struct {
    spinlock_t lock;
    struct list_head worklist; /*工作列表，添加工作时放入此链表中*/
    wait_queue_head_t more_work;
    struct work_struct *current_work;/*从工作链表中取出的正在执行的工作*/
    struct workqueue_struct *wq;/*指向上一级workqueue_struct目录*/
    struct task_struct *thread; /*创建的线程*/
    int run_depth;      /* Detect run_workqueue() recursion depth */
}

3.3 work_struct 结构

workqueue中，三个结构体中，只有这个结构才是与开发常用的，上述两个数据结构及操作接口可以直接使用而无需我们进行开发或者修改。

struct work_struct {
    atomic_long_t data; /*传入的数据*/
#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;  /*完成工作的函数，如果需要参数，则使用data进行传递*/
};