linux 工作队列

INIT_DELAYED_WORK()是一个宏,我们给它传递了两个参数.&hub->leds和led_work.对设备驱动熟悉的人不会觉得INIT_DELAYED_WORK()很陌生,其实鸦片战争那会儿就有这个宏了,只不过从2.6.20的内核开始这个宏做了改变,原来这个宏是三个参数,后来改成了两个参数,所以经常在网上看见一些同志抱怨说最近某个模块编译失败了,说什么make的时候遇见这么一个错误:

error: macro "INIT_DELAYED_WORK" passed 3 arguments, but takes just 2

当然更为普遍的看到下面这个错误:

error: macro "INIT_WORK" passed 3 arguments, but takes just 2

于是就让我们来仔细看看INIT_WORK和INIT_DELAYED_WORK.其实前者是后者的一个特例,它们涉及到的就是传说中的工作队列.这两个宏都定义于include/linux/workqueue.h中:

     79 #define INIT_WORK(_work, _func)                                         /

     80         do {                                                            /

     81                 (_work)->data = (atomic_long_t) WORK_DATA_INIT();       /

     82                 INIT_LIST_HEAD(&(_work)->entry);                        /

     83                 PREPARE_WORK((_work), (_func));                         /

     84         } while (0)

     85

     86 #define INIT_DELAYED_WORK(_work, _func)                         /

     87         do {                                                    /

     88                 INIT_WORK(&(_work)->work, (_func));             /

     89                 init_timer(&(_work)->timer);                    /

     90         } while (0)

有时候特怀念谭浩强那本书里的那些例子程序,因为那些程序都特简单,不像现在看到的这些,动不动就是些复杂的函数复杂的数据结构复杂的宏,严重挫伤了我这样的有志青年的自信心.就比如眼下这几个宏吧,宏里边还是宏,一个套一个,不是说看不懂,因为要看懂也不难,一层一层展开,只不过确实没必要非得都看懂,现在这样一种朦胧美也许更美,有那功夫把这些都展开我还不如去认认真真学习三个代表呢.总之,关于工作队列,就这么说吧,Linux内核实现了一个内核线程,直观一点,ps命令看一下您的进程,

localhost:/usr/src/linux-2.6.22.1/drivers/usb/core # ps -el

F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD

4 S     0     1     0  0  76   0 -   195 -      ?        00:00:02 init

1 S     0     2     1  0 -40   - -     0 migrat ?        00:00:00 migration/0

1 S     0     3     1  0  94  19 -     0 ksofti ?        00:00:00 ksoftirqd/0

1 S     0     4     1  0 -40   - -     0 migrat ?        00:00:00 migration/1

1 S     0     5     1  0  94  19 -     0 ksofti ?        00:00:00 ksoftirqd/1

1 S     0     6     1  0 -40   - -     0 migrat ?        00:00:00 migration/2

1 S     0     7     1  0  94  19 -     0 ksofti ?        00:00:00 ksoftirqd/2

1 S     0     8     1  0 -40   - -     0 migrat ?        00:00:00 migration/3

1 S     0     9     1  0  94  19 -     0 ksofti ?        00:00:00 ksoftirqd/3

1 S     0    10     1  0 -40   - -     0 migrat ?        00:00:00 migration/4

1 S     0    11     1  0  94  19 -     0 ksofti ?        00:00:00 ksoftirqd/4

1 S     0    12     1  0 -40   - -     0 migrat ?        00:00:00 migration/5

1 S     0    13     1  0  94  19 -     0 ksofti ?        00:00:00 ksoftirqd/5

1 S     0    14     1  0 -40   - -     0 migrat ?        00:00:00 migration/6

1 S     0    15     1  0  94  19 -     0 ksofti ?        00:00:00 ksoftirqd/6

1 S     0    16     1  0 -40   - -     0 migrat ?        00:00:00 migration/7

1 S     0    17     1  0  94  19 -     0 ksofti ?        00:00:00 ksoftirqd/7

5 S     0    18     1  0  70  -5 -     0 worker ?        00:00:00 events/0

1 S     0    19     1  0  70  -5 -     0 worker ?        00:00:00 events/1

5 S     0    20     1  0  70  -5 -     0 worker ?        00:00:00 events/2

5 S     0    21     1  0  70  -5 -     0 worker ?        00:00:00 events/3

5 S     0    22     1  0  70  -5 -     0 worker ?        00:00:00 events/4

1 S     0    23     1  0  70  -5 -     0 worker ?        00:00:00 events/5

5 S     0    24     1  0  70  -5 -     0 worker ?        00:00:00 events/6

5 S     0    25     1  0  70  -5 -     0 worker ?        00:00:00 events/7

瞅见最后这几行了吗,events/0到events/7,0啊7啊这些都是处理器的编号,每个处理器对应其中的一个线程.要是您的计算机只有一个处理器,那么您只能看到一个这样的线程,events/0,您要是双处理器那您就会看到多出一个events/1的线程.哥们儿这里Dell PowerEdge 2950的机器,8个处理器,所以就是events/0到events/7了.

那么究竟这些events代表什么意思呢?或者说它们具体干嘛用的?这些events被叫做工作者线程,或者说worker threads,更确切的说,这些应该是缺省的工作者线程.而与工作者线程相关的一个概念就是工作队列,或者叫work queue.工作队列的作用就是把工作推后,交由一个内核线程去执行,更直接的说就是如果您写了一个函数,而您现在不想马上执行它,您想在将来某个时刻去执行它,那您用工作队列准没错.您大概会想到中断也是这样,提供一个中断服务函数,在发生中断的时候去执行,没错,和中断相比,工作队列最大的好处就是可以调度可以睡眠,灵活性更好.

就比如这里,如果我们将来某个时刻希望能够调用led_work()这么一个我们自己写的函数,那么我们所要做的就是利用工作队列.如何利用呢?第一步就是使用INIT_WORK()或者INIT_DELAYED_WORK()来初始化这么一个工作,或者叫任务,初始化了之后,将来如果咱们希望调用这个led_work()函数,那么咱们只要用一句schedule_work()或者schedule_delayed_work()就可以了,特别的,咱们这里使用的是INIT_DELAYED_WORK(),那么之后我们就会调用schedule_delayed_work(),这俩是一对.它表示,您希望经过一段延时然后再执行某个函数,所以,咱们今后会见到schedule_delayed_work()这个函数的,而它所需要的参数,一个就是咱们这里的&hub->leds,另一个就是具体自己需要的延时.&hub->leds是什么呢?struct usb_hub中的成员,struct delayed_work leds,专门用于延时工作的,再看struct delayed_work,这个结构体定义于include/linux/workqueue.h:

     35 struct delayed_work {

     36         struct work_struct work;

     37         struct timer_list timer;

     38 };

其实就是一个struct work_struct和一个timer_list,前者是为了往工作队列里加入自己的工作,后者是为了能够实现延时执行,咱们把话说得更明白一点,您看那些events线程,它们对应一个结构体,struct workqueue_struct,也就是说它们维护着一个队列,完了您要是想利用工作队列这么一个机制呢,您可以自己创建一个队列,也可以直接使用events对应的这个队列,对于大多数情况来说,都是选择了events对应的这个队列,也就是说大家都共用这么一个队列,怎么用呢?先初始化,比如调用INIT_DELAYED_WORK(),这么一初始化吧,实际上就是为一个struct work_struct结构体绑定一个函数,就比如咱们这里的两个参数,&hub->leds和led_work()的关系,就最终让hub_leds这个struct work_struct结构体和函数led_work()相绑定了起来,您问怎么绑定的?您瞧,struct work_struct也是定义于include/linux/workqueue.h:

     24 struct work_struct {

     25         atomic_long_t data;

     26 #define WORK_STRUCT_PENDING 0          

     27 #define WORK_STRUCT_FLAG_MASK (3UL)

     28 #define WORK_STRUCT_WQ_DATA_MASK (~WORK_STRUCT_FLAG_MASK)

     29         struct list_head entry;

     30         work_func_t func;

     31 };

瞅见最后这个成员func了吗,初始化的目的就是让func指向led_work(),这就是绑定,所以以后咱们调用schedule_delayed_work()的时候,咱们只要传递struct work_struct的结构体参数即可,不用再每次都把led_work()这个函数名也给传递一次,一旦绑定,人家就知道了,对于led_work(),那她就嫁鸡随鸡,嫁狗随狗,嫁混蛋随混蛋了.您大概还有一个疑问,为什么只要这里初始化好了,到时候调用schedule_delayed_work()就可以了呢?事实上,events这么一个线程吧,它其实和hub的内核线程一样,有事情就处理,没事情就睡眠,也是一个死循环,而schedule_delayed_work()的作用就是唤醒这个线程,确切的说,是先把自己的这个struct work_struct插入workqueue_struct这个队列里,然后唤醒昏睡中的events.然后events就会去处理,您要是有延时,那么它就给您安排延时以后执行,您要是没有延时,或者您设了延时为0,那好,那就赶紧给您执行.咱这里不是讲了两个宏吗,一个INIT_WORK(),一个INIT_DELAYED_WORK(),后者就是专门用于可以有延时的,而前者就是没有延时的,这里咱们调用的是INIT_DELAYED_WORK(),不过您别美,过一会您会看见INIT_WORK()也被使用了,因为咱们hub驱动中还有另一个地方也想利用工作队列这么一个机制,而它不需要延时,所以就使用INIT_WORK()进行初始化,然后在需要调用相关函数的时候调用schedule_work()即可.此乃后话,暂且不表.

基本上这一节咱们就是介绍了Linux内核中工作队列机制提供的接口,两对函数INIT_DELAYED_WORK()对schedule_delayed_work(),INIT_WORK()对schedule_work().

关于工作队列机制,咱们还会用到另外两个函数,它们是cancel_delayed_work(struct delayed_work *work)和flush_scheduled_work().其中cancel_delayed_work()的意思不言自明,对一个延迟执行的工作来说,这个函数的作用是在这个工作还未执行的时候就把它给取消掉.而flush_scheduled_work()的作用,是为了防止有竞争条件的出现,虽说哥们儿也不是很清楚如何防止竞争,可是好歹大二那年学过一门专业课,数字电子线路,尽管没学到什么有用的东西,怎么说也还是记住了两个专业名词,竞争与冒险.您要是对竞争条件不是很明白,那也不要紧,反正基本上每次cancel_delayed_work之后您都得调用flush_scheduled_work()这个函数,特别是对于内核模块,如果一个模块使用了工作队列机制,并且利用了events这个缺省队列,那么在卸载这个模块之前,您必须得调用这个函数,这叫做刷新一个工作队列,也就是说,函数会一直等待,直到队列中所有对象都被执行以后才返回.当然,在等待的过程中,这个函数可以进入睡眠.反正刷新完了之后,这个函数会被唤醒,然后它就返回了.关于这里这个竞争,可以这样理解,events对应的这个队列,人家本来是按部就班的执行,一个一个来,您要是突然把您的模块给卸载了,或者说你把你的那个工作从工作队列里取出来了,那events作为队列管理者,它可能根本就不知道,比如说它先想好了,下午3点执行队列里的第N个成员,可是您突然把第N-1个成员给取走了,那您说这是不是得出错?所以,为了防止您这种唯恐天下不乱的人做出冒天下之大不韪的事情来,提供了一个函数,flush_scheduled_work(),给您调用,以消除所谓的竞争条件,其实说竞争太专业了点,说白了就是防止混乱吧.

Ok,关于这些接口就讲到这里,日后咱们自然会在hub驱动里见到这些接口函数是如何被使用的.到那时候再来看.这就是蝴蝶效应.当我们看到INIT_WORK/INIT_DELAYED_WORK()的时候,我们是没法预测未来会发生什么的.所以我们只能拭目以待.又想起了那句老话,大学生活就像被强奸,如果不能反抗,那就只能静静的去享受它.

 

 

工作队列（work queue）是另外一种将工作推后执行的形式，它和前面讨论的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。

1. 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{

unsigned long pending;

struct list_head entry;

void (*func) (void *);

void *data;

void *wq_data;

struct timer_list timer;

};

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。

6. 工作队列的简单应用

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/workqueue.h>

static struct workqueue_struct *queue = NULL;
static struct work_struct work;

static void work_handler(struct work_struct *data)
{
        printk(KERN_ALERT "work handler function./n");
}

static int __init test_init(void)
{
        queue = create_singlethread_workqueue("helloworld"); 
        if (!queue)
                goto err;

        INIT_WORK(&work, work_handler);
        schedule_work(&work);

        return 0;
err:
        return -1;
}

static void __exit test_exit(void)
{
        destroy_workqueue(queue);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(test_init);
module_exit(test_exit);