Linux 机制分析

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走入 Linux 的殿堂已经有一年有余了，在这里我想将 Linux 的各种实现机制分析一遍，一方面对自己来说也是温故而知新，另一方面，促进大家的交流，最好能够给大家一些抛砖引玉的启迪。我是硬件出身，搞硬件已经好多年了，从是专门软件开发也接近两年了，在这一段时间内我越发认为软硬件协同设计是未来发展的主流，软硬件的界限越来越模糊，软硬件的设计思想是相通的，实现方法是各异的，实现的结果上当然也存在较大差别，因此，很有必要做好软硬件的协同设计。本着这样的想法，我想将我所认识的 Linux 分析一遍，特别是一些我认为精华和重要的机制，另外在讨论过程中，我会插入一些其他的 OS 实现机制，进行对比分析，我把这一类 blog 文章划归为“ Linux 机制分析”，希望大家支持。

什么是 workqueue ？

Linux 中的 Workqueue 机制就是为了简化内核线程的创建。通过调用 workqueue 的接口就能创建内核线程。并且可以根据当前系统 CPU 的个数创建线程的数量，使得线程处理的事务能够并行化。

workqueue 是内核中实现简单而有效的机制，他显然简化了内核 daemon 的创建，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 和内核线程进行了绑定。在创建 workqueue 的过程中， Linux 根据当前系统 CPU 的个数创建 cpu_workqueue_struct 。在该结构主要维护了一个任务队列，以及内核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 */

struttimer_list timer; /* 任务延时处理定时器 */

};

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。

上述描述的 workqueue 内核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。

Workqueue编程接口

序号	接口函数	说明
1	create_workqueue	用于创建一个 workqueue 队列，为系统中的每个 CPU 都创建一个内核线程。输入参数： @name： workqueue 的名称
2	create_singlethread_workqueue	用于创建 workqueue ，只创建一个内核线程。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 队列指针
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 ：具体任务对象指针
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 ：具体任务对象指针 @delay：延迟时间