工作队列 ( workqueue )

1. 有些时候内核需要一个异步的进程执行上下文，而工作
队列（workqueue）可以满足这种需求。

工作队列中的每一个元素都是一个工作项（work item），
有一个函数与工作项相关，这个函数就是工作项所要处
理的任务。

内核中有一个专门的线程——被称作worker，来依次执行
工作队列中的每一个工作项对应的函数，当工作队列为
空时，这个worker就变为空闲状态（idle），当有新的
工作项加入到工作队列时，worker又重新开始执行。

2. 在最早的实现中包括两种实现方式，一种是整个系统只
有一个worker（single thread，ST），另一种是每个
CPU包含一个worker（multiple thread，MT），每一个
CPU包含一个属于自己的worker pool 。

这两种实现都引起了系统中对于这种异步上下文的竞争，
只不过是MT方式的竞争可能更小一些。

因此，内核人员对workqueue作了重新实现，新的实现
被称作concurrency managed workqueue（cmwq）,新的
实现的特点如下：

* 与之前的API兼容

* 实现了统一的每CPU worker pool，减少了资源的浪
费，提高了并发的灵活性

* 可以自动调节worker pool和并发的级别

3. 为了简化执行这种异步上下文，引入了work item，它
是一个简单的结构体，包含一个函数指针，这个指针指
向的函数就是需要在异步上文中执行的函数。

当一个内核子系统或者驱动程序需要在异步上下文中执
行一个函数时，它首先需要创建一个work item结构体，
然后将这个结构体加入到工作队列中。

工作者线程（worker thread）负责从工作对列中取出work
item并执行，直到工作队列中的work item为空。工作
者线程是由worker-pool管理的。

cmwq的实现在用户接口（即子系统或者驱动程序的使用）
和后台支持上（即如何管理worker pool以及处理work
item）有差别。

每一个CPU上都有两个worker pool，一个是用来处理普
通的work item，另一个是用来处理高优先级的work item。
另外还有一些worker pool用来处理未添加到绑定到CPU
的wq上的work item，这些worker pool的数量是动态的。

可以通过修改工作队列的属性来改变添加到其上的work
item的执行行为，例如在哪个CPU上执行、并发限制、优
先级等。

当一个work item添加到workqueue时，根据函数的参数
以及要添加到的工作队列的属性就可以确定将由哪一个
worker pool来执行，并且会将该work item添加到该
worker pool共享的工作列表中。例如，当一个work
item被添加到一个workqueue时，它要么被添加到普通
的worker-pool的工作列表，要么被添加到高优先级的
worker-pool的工作列表，这里的两个worker-pool对应
于添加work item到工作队列的CPU。

管理一个工作者线程池的并发度一直是工作者线程池面
临的一个重要的问题。cmwq保持了最小的并发度，但是
又让CPU不会空闲，充分利用了CPU资源。

每一个绑定到CPU的线程池通过在调度器中添加钩子实
现了并发的控制。当一个工作项被唤醒或者睡眠的时候，
工作者线程池都会接到通知，以此来追踪当前并发的工
作者线程数。一般来说，当一个CPU上有一个或者多个
工作者线程在执行的时候，与该CPU绑定的工作者线程
池不会再起动其他的工作者线程，当该CPU上最后一个
工作者线程睡眠后，立刻启动一个新的工作，来保证CPU
不会空转。

对于未绑定到CPU的工作队列来说，它的线程池数量是
动态的。可以通过apply_workqueue_attrs函数来设置这
个未绑定的工作队列的参数，系统会自动生成与这些参
数对应的工作者线程池。另外对于绑定的工作队列可以
设置某些参数，让某个工作队列忽略并发的限制。

任何需要多个工作者线程同时执行的子系统或者驱动程
序都需要使用有急救工作者线程（rescuer worker）的
工作队列。例如，在内存回收的时候，回收内存的工作
项往往需要同时执行，因此如果没有使用这种工作队列
的话，就会造成死锁，因为后执行的工作者线程会等待
前面的工作者线程被释放。

4. 应用程序接口（API）

alloc_workqueue负责创建一个工作队列，之前的create_*workqueue
之类的接口已经被丢弃了。该函数有三个参数@name，
@flags以及@max_active，@name表示该工作队列的名字，
如果急救工作者线程也存在的话，那么@name也是该急救
工作者线程的名字。

工作队列已经不再管理执行资源，但是它作为一个域用
来管理工作项，例如保证工作项往前执行、flush以及
工作项的属性。@flags和@max_active参数控制工作项
的执行资源分配，如何被调度以及如何执行。

@flags：

WQ_UNBOUND
未绑定的工作队列对应的工作者线程池数是动态的。该
工作者线程池未绑定到任何的CPU，因此相当于是一个简
单的执行上下文的提供者，它会立即执行添加到该工作
队列工作项。一般在下面两种情况会用到：

* 工作者线程的并发级别波动很大，且将工作项添加到
工作队列的发起者会在不同的CPU之间来回执行，因
此如果不使用未绑定工作队列的话，就会造成在各个
CPU的工作者线程池上创建了许多不会使用的工作者
线程。

* 当CPU的负担很重时，最好将工作项添加到位绑定的工
作队列，由调度器来进行调度。

WQ_FREEZABLE
当系统暂停时，工作队列会进入到冻结状态。并且会清
空该工作队列中的工作项，直到被解冻才可以执行新的
工作。

WQ_MEM_RECLAIM
任何可能在内存回收路径上使用的工作队列都必须设置
该标记，它保证了不管内存压力有多大，都至少有一个
执行上下文与之对应。

WQ_HIGHPRI
高优先级工作队列的工作项被加入到相应CPU的高优先
级工作者线程池。高优先级工作者线程池由提高了nice
级别的线程来服务。

普通的工作者线程池和高优先级的工作者线程池是隔离
的，他们之间不进行任何的交互。对于并发级别的控制
也是各自独立进行控制的。

WQ_CPU_INTENSIVE
这种工作队列中的工作项并不受并发级别的控制，因为
该类型的工作项通常会需要很多的CPU使用量，因此最
好的办法就是由系统调度器来进行调度。

另外，并发级别的限制会影响密集型工作项的执行，例
如当前正在运行的非密集型的工作会延迟密集型工作的
执行。

该标记对未绑定的工作队列是无效的。

@max_active：

表示每个工作队列同时最多能有几个工作项在同一个CPU
上运行。例如，max_active=16，表示同时最多能有16个
该工作队列的工作项在每一个CPU上运行。

对于绑定的工作队列，@max_active的最大值为512，默
认情况下，该参数传值为0，此时它的最大值为256。对
于未绑定的工作队列，max_active的最大值要大于512。

工作队列的同时处于活跃状态的工作项的数目是由用户
调节的，例如用户同时添加到工作队列中的工作项的数
目。除非有需求调节活跃工作项的数目，否则，推荐该
参数赋值为0。

有些需要依赖ST工作队列的顺序，因此可以使WQ_UNBOUND
和@max_active为1。这样就模拟了ST，每一个该类型的
工作项都应该被添加到未绑定的工作队列中，且一次只
能有一个工作项执行就限定了执行的顺序。

5. 指导方针

* 如果工作队列中的工作项可能用在内存回收代码路径
中，一定要设置WQ_MEM_RECLAIM，每一个该类型的队
列都有一个保留的执行上下文。另外，如果在内存回
收路径中有多个工作项相互依赖的话，应该将这些工
作项添加到不同的工作对列中。

* 如果没有特殊要求的话，推荐@max_active参数的值
为0。

* 一般如果没有执行次序要求的话，不会用到ST。

* 工作队列作为工作项一个域，用来WQ_MEM_RECLAIM，
flush以及某些工作项的共有属性。如果工作项不会
用到上面的任何一个特性，可以使用系统工作队列。

* 除非一个工作项要耗费很多的CPU，一般将工作项添
加到绑定的工作队列中。

ref
===
1. Documentation/workqueue.txt

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