深入解析Linux工作队列实现机制 (linux工作队列实现机制)

Linux操作系统是一款自由、开放、高效的操作系统。它的底层机制和算法非常具有代表性，工作队列就是其中一个非常重要的实现机制。在本文中，我们将深入解析Linux工作队列的实现机制，包括队列的实现、类型的区别、实现原理以及如何使用。

一、工作队列概述

工作队列是Linux中一种很重要的异步操作机制，它允许驱动程序、内核模块执行一些长时间处理的操作，而不会使调用者产生阻塞。可以理解为是一种异步、非阻塞的操作方式。

工作队列基本上是由一个等待队列（等待队列是一个进程阻塞队列）和一个内核线程组成的，当队列中加入一个工作项时，它就会被添加到等待队列中，然后线程就会醒来，从等待队列中取出工作项并进行处理。

二、工作队列的实现

工作队列在内核中是非常常见和重要的实现机制，下图为Linux内核中实现工作队列的架构图。

图1 工作队列的架构图

如图所示，工作队列分为两个部分：内核线程和工作项。

内核线程

　　内核线程是Linux内核中非常特殊的一种进程，它完全受内核控制，被用来执行内核代码、完成内核任务。这种进程并不受任何用户进程的控制，而是由内核自行创建和维护。当把一个工作项放到工作队列中后，内核线程就会去执行这个工作项，执行完成后，内核将它退出，并回收相应的资源。

　　内核线程更具有代表性的两个函数为kernel_thread()和kthread_create()。

　　*kernel_thread()*

　　　　在Linux内核中创建线程的方式非常有特色，它不同于其他操作系统把线程和进程作为两个独立的概念，而是把线程看作是一种特殊的进程，用另一种方式来创建它。

　　*kthread_create()*

　　　　kthread_create()是在Linux内核中专门用于创建内核线程的函数，它的实现方式是在kernel_thread()基础上加上了一些特殊的参数来使创建的进程成为内核线程。

工作项

　　工作项是实际执行的操作，当一个工作项被加入到工作队列时，它实际上就被加入到了一个等待队列中，等待内核线程来执行。在内核中，工作项通常使用struct work_struct结构体来表示。

　　工作项的初始化方法为INIT_WORK(work, func)，其中work为结构体指针，func为回调函数，用来指定这个工作项需要执行的任务。

　　工作项状态转换如下：

　　　　WORK_STATE_PENDING->WORK_STATE_SCHEDULED->WORK_STATE_RUNNING->WORK_STATE_DONE

　　　　（等待中->计划中->执行中->完成）

　　工作项状态的变化都是由内核线程进行的，所以在实现时需要仔细考虑它们之间的交互关系。

三、工作队列类型的区别

Linux内核中有两种工作队列类型：立即工作队列和延迟工作队列。

立即工作队列

　　当一个新的工作项被加入到队列中时，对应的内核线程（kworker）将立即被唤醒来执行这个工作项。此类型的工作队列主要是为了能够及时地处理一些任务，如实时视频播放、音频处理等，以保证系统的流畅性和即时性。

延迟工作队列

　　延迟工作队列和立即工作队列的区别在于，当一个新的工作项被加入到队列中时，等待一段时间后再由对应的内核线程执行。这种工作队列用于标准进程的一些需要优化的场景中，如系统开机和关机的部分处理操作。

四、工作队列的实现原理

工作队列的实现是基于一个称为Kthread的内核线程模块。一个Kthread是一个内核线程，它可以唤醒、安排和执行工作队列上的工作项。Kthread模块包括了一个线程管理结构体、一个定时器和工作队列本身。

　　线程管理结构体：kthread_t结构体用于内核线程的创建、发起、挂掉和结束等操作。

　　定时器：timer_list结构体定义了一个定时器，要保证在延迟队列的实现中表现得像工作项一样，并杜绝了在等待队列中等待太长时间的情况。

　　工作队列本身：DECLARE_WORK宏定义了一个工作项，用于存储待执行的工作标识、对应的处理函数等等。每个工作项都和一个timer_list和kthread_t结构体绑定在一起。

五、工作队列的使用方法

使用工作队列是为了把一些处理操作放到一个单独的线程中执行，而不是在使用线程池的情况下，等待一个可用的线程去执行。这个方法既简便易行，也是保证Linux设备驱动程序高性能运行的有效手段之一。

我们可以通过声明并定义一个工作项来实现，工作项创建完成后，我们就可以使用schedule_work()函数将它添加到需要的工作队列中等待执行。在工作项的回调函数中写入具体的操作指令。

六、工作队列的注意事项

　　1. 工作队列给系统开销带来一定的影响，尤其是对立即工作队列，并不适合在实时系统中大量运用。

　　2. 在使用工作队列时，需要格外注意内核的限制和规定。由于工作项被安排到内核线程上，大部分操作都是在内核命名空间中进行的，因此需要注意内核线程中的常见限制，如不能访问用户空间的任何数据等等。

　　3. 工作队列是Linux内核的一个非常复杂的实现机制，了解它的原理和使用方式非常重要。同时，在使用过程中需要仔细考虑与其他系统资源的协同，才能更好地实现Linux系统的高效性和稳定性。

结语

Linux工作队列是我们在进行Linux内核开发时必须要了解的一个重要机制，掌握工作队列的原理和使用必将会使我们成为一名更为出色的开发工程师。希望本文对大家能够有所帮助。