背景
Read the fucking source code!–By 魯迅A picture is worth a thousand words.–By 高爾基
說明：
- Kernel版本：4.14
- ARM64處理器，Contex-A53，雙核
- 使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
Workqueue工作隊列是利用內核線程來異步執行工作任務的通用機制；Workqueue工作隊列可以用作中斷處理的Bottom-half機制，利用進程上下文來執行中斷處理中耗時的任務，因此它允許睡眠，而Softirq和Tasklet在處理任務時不能睡眠；
來一張概述圖：
- 在中斷處理過程中，或者其他子系統中，調用
workqueue的調度或入隊接口后，通過建立好的鏈接關係圖逐級找到合適的worker，最終完成工作任務的執行；
2. 數據結構
2.1 總覽
此處應有圖：
- 先看看關鍵的數據結構：
work_struct：工作隊列調度的最小單位，work item；workqueue_struct：工作隊列，work item都掛入到工作隊列中；worker：work item的處理者，每個worker對應一個內核線程；worker_pool：worker池（內核線程池），是一個共享資源池，提供不同的worker來對work item進行處理；pool_workqueue：充當橋樑紐帶的作用，用於連接workqueue和worker_pool，建立鏈接關係；
下邊看看細節吧：
2.2 work
struct work_struct用來描述work，初始化一個work並添加到工作隊列后，將會將其傳遞到合適的內核線程來進行處理，它是用於調度的最小單位。
關鍵字段描述如下：
struct work_struct {
atomic_long_t data; //低比特存放狀態位，高比特存放worker_pool的ID或者pool_workqueue的指針
struct list_head entry; //用於添加到其他隊列上
work_func_t func; //工作任務的處理函數，在內核線程中回調
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};
圖片說明下data字段：
2.3 workqueue
-
內核中工作隊列分為兩種：
- bound：綁定處理器的工作隊列，每個
worker創建的內核線程綁定到特定的CPU上運行； - unbound：不綁定處理器的工作隊列，創建的時候需要指定
WQ_UNBOUND標誌，內核線程可以在處理器間遷移；
- bound：綁定處理器的工作隊列，每個
-
內核默認創建了一些工作隊列（用戶也可以創建）：
system_mq：如果work item執行時間較短，使用本隊列，調用schedule[_delayed]_work[_on]()接口就是添加到本隊列中；system_highpri_mq：高優先級工作隊列，以nice值-20來運行；system_long_wq：如果work item執行時間較長，使用本隊列；system_unbound_wq：該工作隊列的內核線程不綁定到特定的處理器上；system_freezable_wq：該工作隊列用於在Suspend時可凍結的work item；system_power_efficient_wq：該工作隊列用於節能目的而選擇犧牲性能的work item；system_freezable_power_efficient_wq：該工作隊列用於節能或Suspend時可凍結目的的work item；
struct workqueue_struct關鍵字段介紹如下：
struct workqueue_struct {
struct list_head pwqs; /* WR: all pwqs of this wq */ //所有的pool_workqueue都添加到本鏈表中
struct list_head list; /* PR: list of all workqueues */ //用於將工作隊列添加到全局鏈表workqueues中
struct list_head maydays; /* MD: pwqs requesting rescue */ //rescue狀態下的pool_workqueue添加到本鏈表中
struct worker *rescuer; /* I: rescue worker */ //rescuer內核線程，用於處理內存緊張時創建工作線程失敗的情況
struct pool_workqueue *dfl_pwq; /* PW: only for unbound wqs */
char name[WQ_NAME_LEN]; /* I: workqueue name */
/* hot fields used during command issue, aligned to cacheline */
unsigned int flags ____cacheline_aligned; /* WQ: WQ_* flags */
struct pool_workqueue __percpu *cpu_pwqs; /* I: per-cpu pwqs */ //Per-CPU都創建pool_workqueue
struct pool_workqueue __rcu *numa_pwq_tbl[]; /* PWR: unbound pwqs indexed by node */ //Per-Node創建pool_workqueue
...
};
2.4 worker
- 每個
worker對應一個內核線程，用於對work item的處理； worker根據工作狀態，可以添加到worker_pool的空閑鏈表或忙碌列表中；worker處於空閑狀態時並接收到工作處理請求，將喚醒內核線程來處理；- 內核線程是在每個
worker_pool中由一個初始的空閑工作線程創建的，並根據需要動態創建和銷毀；
關鍵字段描述如下：
struct worker {
/* on idle list while idle, on busy hash table while busy */
union {
struct list_head entry; /* L: while idle */ //用於添加到worker_pool的空閑鏈表中
struct hlist_node hentry; /* L: while busy */ //用於添加到worker_pool的忙碌列表中
};
struct work_struct *current_work; /* L: work being processed */ //當前正在處理的work
work_func_t current_func; /* L: current_work's fn */ //當前正在執行的work回調函數
struct pool_workqueue *current_pwq; /* L: current_work's pwq */ //指向當前work所屬的pool_workqueue
struct list_head scheduled; /* L: scheduled works */ //所有被調度執行的work都將添加到該鏈表中
/* 64 bytes boundary on 64bit, 32 on 32bit */
struct task_struct *task; /* I: worker task */ //指向內核線程
struct worker_pool *pool; /* I: the associated pool */ //該worker所屬的worker_pool
/* L: for rescuers */
struct list_head node; /* A: anchored at pool->workers */ //添加到worker_pool->workers鏈表中
/* A: runs through worker->node */
...
};
2.5 worker_pool
worker_pool是一個資源池，管理多個worker，也就是管理多個內核線程；- 針對綁定類型的工作隊列，
worker_pool是Per-CPU創建，每個CPU都有兩個worker_pool，對應不同的優先級，nice值分別為0和-20； - 針對非綁定類型的工作隊列，
worker_pool創建後會添加到unbound_pool_hash哈希表中； worker_pool管理一個空閑鏈表和一個忙碌列表，其中忙碌列表由哈希管理；
關鍵字段描述如下：
struct worker_pool {
spinlock_t lock; /* the pool lock */
int cpu; /* I: the associated cpu */ //綁定到CPU的workqueue，代表CPU ID
int node; /* I: the associated node ID */ //非綁定類型的workqueue，代表內存Node ID
int id; /* I: pool ID */
unsigned int flags; /* X: flags */
unsigned long watchdog_ts; /* L: watchdog timestamp */
struct list_head worklist; /* L: list of pending works */ //pending狀態的work添加到本鏈表
int nr_workers; /* L: total number of workers */ //worker的數量
/* nr_idle includes the ones off idle_list for rebinding */
int nr_idle; /* L: currently idle ones */
struct list_head idle_list; /* X: list of idle workers */ //處於IDLE狀態的worker添加到本鏈表
struct timer_list idle_timer; /* L: worker idle timeout */
struct timer_list mayday_timer; /* L: SOS timer for workers */
/* a workers is either on busy_hash or idle_list, or the manager */
DECLARE_HASHTABLE(busy_hash, BUSY_WORKER_HASH_ORDER); //工作狀態的worker添加到本哈希表中
/* L: hash of busy workers */
/* see manage_workers() for details on the two manager mutexes */
struct worker *manager; /* L: purely informational */
struct mutex attach_mutex; /* attach/detach exclusion */
struct list_head workers; /* A: attached workers */ //worker_pool管理的worker添加到本鏈表中
struct completion *detach_completion; /* all workers detached */
struct ida worker_ida; /* worker IDs for task name */
struct workqueue_attrs *attrs; /* I: worker attributes */
struct hlist_node hash_node; /* PL: unbound_pool_hash node */ //用於添加到unbound_pool_hash中
...
} ____cacheline_aligned_in_smp;
2.6 pool_workqueue
pool_workqueue充當紐帶的作用，用於將workqueue和worker_pool關聯起來；
關鍵字段描述如下：
struct pool_workqueue {
struct worker_pool *pool; /* I: the associated pool */ //指向worker_pool
struct workqueue_struct *wq; /* I: the owning workqueue */ //指向所屬的workqueue
int nr_active; /* L: nr of active works */ //活躍的work數量
int max_active; /* L: max active works */ //活躍的最大work數量
struct list_head delayed_works; /* L: delayed works */ //延遲執行的work掛入本鏈表
struct list_head pwqs_node; /* WR: node on wq->pwqs */ //用於添加到workqueue鏈表中
struct list_head mayday_node; /* MD: node on wq->maydays */ //用於添加到workqueue鏈表中
...
} __aligned(1 << WORK_STRUCT_FLAG_BITS);
2.7 小結
再來張圖，首尾呼應一下：
3. 流程分析
3.1 workqueue子系統初始化
workqueue子系統的初始化分成兩步來完成的：workqueue_init_early和workqueue_init。
3.1.1 workqueue_init_early
workqueue子系統早期初始化函數完成的主要工作包括：- 創建
pool_workqueue的SLAB緩存，用於動態分配struct pool_workqueue結構； - 為每個CPU都分配兩個
worker_pool，其中的nice值分別為0和HIGHPRI_NICE_LEVEL，並且為每個worker_pool從worker_pool_idr中分配一個ID號； - 為unbound工作隊列創建默認屬性，
struct workqueue_attrs屬性，主要描述內核線程的nice值，以及cpumask值，分別針對優先級以及允許在哪些CPU上執行； - 為系統默認創建幾個工作隊列，這幾個工作隊列的描述在上文的數據結構部分提及過，不再贅述；
- 創建
從圖中可以看出創建工作隊列的接口為：alloc_workqueue，如下圖：
alloc_workqueue完成的主要工作包括：- 首先當然是要分配一個
struct workqueue_struct的數據結構，並且對該結構中的字段進行初始化操作； - 前文提到過
workqueue最終需要和worker_pool關聯起來，而這個紐帶就是pool_workqueue，alloc_and_link_pwqs函數就是完成這個功能：1）如果工作隊列是綁定到CPU上的，則為每個CPU都分配pool_workqueue並且初始化，通過link_pwq將工作隊列與pool_workqueue建立連接；2）如果工作隊列不綁定到CPU上，則按內存節點（NUMA，參考之前內存管理的文章）來分配pool_workqueue，調用get_unbound_pool來實現，它會根據wq屬性先去查找，如果沒有找到相同的就創建一個新的pool_workqueue，並且添加到unbound_pool_hash哈希表中，最後也會調用link_pwq來建立連接； - 創建工作隊列時，如果設置了
WQ_MEM_RECLAIM標誌，則會新建rescuer worker，對應rescuer_thread內核線程。當內存緊張時，新創建worker可能會失敗，這時候由rescuer來處理這種情況； - 最終將新建好的工作隊列添加到全局鏈表
workqueues中；
- 首先當然是要分配一個
3.1.2 workqueue_init
workqueue子系統第二階段的初始化：
- 主要完成的工作是給之前創建好的
worker_pool，添加一個初始的worker； create_worker函數中，創建的內核線程名字為kworker/XX:YY或者kworker/uXX:YY，其中XX表示worker_pool的編號，YY表示worker的編號，u表示unbound；
workqueue子系統初始化完成后，基本就已經將數據結構的關聯建立好了，當有work來進行調度的時候，就可以進行處理了。
3.2 work調度
3.2.1 schedule_work
以schedule_work接口為例進行分析：
-
schedule_work默認是將work添加到系統的system_work工作隊列中； -
queue_work_on接口中的操作判斷要添加work的標誌位，如果已經置位了WORK_STRUCT_PENDING_BIT，表明已經添加到了隊列中等待執行了，否則，需要調用__queue_work來進行添加。注意了，這個操作是在關中斷的情況下進行的，因為工作隊列使用WORK_STRUCT_PENDING_BIT位來同步work的插入和刪除操作，設置了這個比特后，然後才能執行work，這個過程可能被中斷或搶佔打斷； -
workqueue的標誌位設置了__WQ_DRAINING，表明工作隊列正在銷毀，所有的work都要處理完，此時不允許再將work添加到隊列中，有一種特殊情況：銷毀過程中，執行work時又觸發了新的work，也就是所謂的chained work； -
判斷
workqueue的類型，如果是bound類型，根據CPU來獲取pool_workqueue，如果是unbound類型，通過node號來獲取pool_workqueue； -
get_work_pool獲取上一次執行work的worker_pool，如果本次執行的worker_pool與上次執行的worker_pool不一致，且通過find_worker_executing_work判斷work正在某個worker_pool中的worker中執行，考慮到緩存熱度，放到該worker執行是更合理的選擇，進而根據該worker獲取到pool_workqueue； -
判斷
pool_workqueue活躍的work數量，少於最大限值則將work加入到pool->worklist中，否則加入到pwq->delayed_works鏈表中，如果__need_more_worker判斷沒有worker在執行，則喚醒worker內核線程執行； -
總結：
schedule_work完成的工作是將work添加到對應的鏈表中，而在添加的過程中，首先是需要確定pool_workqueue；pool_workqueue對應一個worker_pool，因此確定了pool_workqueue也就確定了worker_pool，進而可以將work添加到工作鏈表中；pool_workqueue的確定分為三種情況：1）bound類型的工作隊列，直接根據CPU號獲取；2）unbound類型的工作隊列，根據node號獲取，針對unbound類型工作隊列，pool_workqueue的釋放是異步執行的，需要判斷refcnt的計數值，因此在獲取pool_workqueue時可能要多次retry；3）根據緩存熱度，優先選擇正在被執行的worker_pool；
3.2.2 worker_thread
work添加到工作隊列后，最終的執行在worker_thread函數中：
-
在創建
worker時，創建內核線程，執行函數為worker_thread； -
worker_thread在開始執行時，設置標誌位PF_WQ_WORKER，調度器在進行調度處理時會對task進行判斷，針對workerqueue worker有特殊處理； -
worker對應的內核線程，在沒有處理work的時候是睡眠狀態，當被喚醒的時候，跳轉到woke_up開始執行； -
woke_up之後，如果此時worker是需要銷毀的，那就進行清理工作並返回。否則，離開IDLE狀態，並進入recheck模塊執行； -
recheck部分，首先判斷是否需要更多的worker來處理，如果沒有任務處理，跳轉到sleep地方進行睡眠。有任務需要處理時，會判斷是否有空閑內核線程以及是否需要動態創建，再清除掉worker的標誌位，然後遍歷工作鏈表，對鏈表中的每個節點調用process_one_worker來處理； -
sleep部分比較好理解，沒有任務處理時，worker進入空閑狀態，並將當前的內核線程設置成睡眠狀態，讓出CPU； -
總結：
- 管理
worker_pool的內核線程池時，如果有PENDING狀態的work，並且發現沒有正在運行的工作線程(worker_pool->nr_running == 0)，喚醒空閑狀態的內核線程，或者動態創建內核線程； - 如果
work已經在同一個worker_pool的其他worker中執行，不再對該work進行處理；
- 管理
work的執行函數為process_one_worker：
work可能在同一個CPU上不同的worker中運行，直接退出；- 調用
worker->current_func()，完成最終work的回調函數執行；
3.3 worker動態管理
3.3.1 worker狀態機變換
worker_pool通過nr_running字段來在不同的狀態機之間進行切換；worker_pool中有work需要處理時，需要至少保證有一個運行狀態的worker，當nr_running大於1時，將多餘的worker進入IDLE狀態，沒有work需要處理時，所有的worker都會進入IDLE狀態；- 執行
work時，如果回調函數阻塞運行，那麼會讓worker進入睡眠狀態，此時調度器會進行判斷是否需要喚醒另一個worker； - IDLE狀態的
worker都存放在idle_list鏈表中，如果空閑時間超過了300秒，則會將其進行銷毀；
Running->Suspend
- 當
worker進入睡眠狀態時，如果該worker_pool沒有其他的worker處於運行狀態，那麼是需要喚醒一個空閑的worker來維持併發處理的能力；
Suspend->Running
- 睡眠狀態可以通過
wake_up_worker來進行喚醒處理，最終判斷如果該worker不在運行狀態，則增加worker_pool的nr_running值；
3.3.2 worker的動態添加和刪除
- 動態刪除
worker_pool初始化時，註冊了timer的回調函數，用於定時對空閑鏈表上的worker進行處理，如果worker太多，且空閑時間太長，超過了5分鐘，那麼就直接進行銷毀處理了；
- 動態添加
- 內核線程執行
worker_thread函數時，如果沒有空閑的worker，會調用manage_workers接口來創建更多的worker來處理工作；
參考
Documentation/core-api/workqueue.rst
http://kernel.meizu.com/linux-workqueue.html
洗洗睡了，收工！
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