DragonOS Workqueue 机制设计文档

1. 概述

工作队列（Workqueue）是 DragonOS 内核中的一种”下半部”（Bottom Half）机制，用于将任务推迟到进程上下文中执行。与 Softirq 和 Tasklet 不同，工作队列的处理函数运行在内核线程中，因此允许执行以下操作：

睡眠（阻塞等待资源）
获取互斥锁（Mutex）或信号量
执行 I/O 操作
分配内存（可能导致阻塞）

本机制的设计参考了 Linux 内核的工作队列实现，并针对 DragonOS 的 Rust 架构进行了适配。

2. 核心架构

2.1 核心组件

Workqueue 机制主要由以下三个组件构成：

Work（工作项）：
- 定义了需要延迟执行的具体任务。
- 在 Rust 实现中，本质上是一个封装了闭包（Closure）或函数指针的结构体。
- 通过 Arc 进行引用计数管理，支持跨线程共享。
WorkQueue（工作队列）：
- 负责管理待处理的工作项（Pending Works）。
- 维护一个或多个关联的工作线程（Worker Thread）。
- 内部包含一个 FIFO 队列和一个 WaitQueue（用于线程同步）。
Worker Thread（工作线程）：
- 一个专门的内核线程，循环从 WorkQueue 中取出任务并执行。
- 当队列为空时，线程进入睡眠状态（通过 WaitQueue 挂起）。
- 当有新任务入队时，线程被唤醒。

2.2 数据流图

graph TD
    User[调用者 (Driver/Interrupt)] -->|schedule_work()| WQ[WorkQueue]
    WQ -->|enqueue| Queue[待处理队列]
    WQ -->|wakeup| Worker[Worker Thread]
    
    subgraph Worker Thread Loop
        Check{队列为空?} -->|Yes| Sleep[睡眠等待]
        Check -->|No| Dequeue[取出 Work]
        Dequeue --> Run[执行 Work.func()]
        Run --> Check
    end
    
    Sleep -.->|被唤醒| Check

3. 详细设计

3.1 数据结构设计

Work

Work 结构体封装了具体的任务逻辑。使用 Box<dyn Fn() + Send + Sync> 来存储闭包，确保其可以在线程间安全传递和执行。

pub struct Work {
    func: Box<dyn Fn() + Send + Sync>,
}

WorkQueue

WorkQueue 是核心管理结构。它包含：

queue: 一个受自旋锁（SpinLock）保护的双端队列，存储 Arc<Work>。
wait_queue: 用于工作线程的同步等待。
worker: 指向关联内核线程 PCB 的引用。

pub struct WorkQueue {
    queue: SpinLock<VecDeque<Arc<Work>>>,
    wait_queue: Arc<WaitQueue>,
    worker: SpinLock<Option<Arc<ProcessControlBlock>>>,
}

3.2 运行机制

初始化：
- 调用 WorkQueue::new(name) 创建一个新的工作队列。
- 该操作会自动启动一个名为 name 的内核线程。
任务调度：
- 调用者使用 Work::new(closure) 创建工作项。
- 调用 wq.enqueue(work) 将任务加入队列。
- enqueue 操作会将任务推入队列尾部，并调用 wait_queue.wakeup() 唤醒工作线程。
任务执行：
- 工作线程运行 worker_loop 函数。
- 循环检查队列状态：
  - 若队列非空：取出队首任务，调用 work.run() 执行。
  - 若队列为空：在 wait_queue 上调用 wait_event_interruptible 进入睡眠，等待被唤醒。

3.3 系统全局队列 (`SYSTEM_WQ`)

为了简化常见场景的使用，系统提供了一个全局默认工作队列 SYSTEM_WQ。

大多数简单的后台任务可以直接提交到该队列，无需创建专用的 WorkQueue。
通过 schedule_work(work) 接口直接调度。

4. 接口说明

4.1 创建任务

let work = Work::new(|| {
    log::info!("This is running in a workqueue!");
    // 可以安全地睡眠或加锁
});

4.2 调度任务

// 调度到系统默认队列
schedule_work(work);

// 或者调度到自定义队列
let my_wq = WorkQueue::new("my_driver_wq");
my_wq.enqueue(work);

5. 与 Linux 的异同

相同点：
- 都是基于内核线程的延迟执行机制。
- 都支持睡眠和阻塞操作。
- 都提供了系统默认的全局队列。
不同点：
- 并发模型：DragonOS 当前实现采用”单线程单队列”模型（每个 WorkQueue 对应一个内核线程）。Linux 采用复杂的 Worker Pool 模型，支持动态扩缩容和并发管理（CM）。
- Per-CPU：DragonOS 当前未实现 Per-CPU 的 WorkQueue，所有任务在同一个线程队列中处理。
- API 风格：DragonOS 利用 Rust 的闭包特性，使得任务定义更加灵活简洁，不需要像 Linux 那样嵌入 work_struct 到自定义结构体中（尽管也支持类似模式）。

6. 未来演进

并发管理：引入 Worker Pool 机制，允许多个 Worker 消费同一个队列，提高并发度。
Per-CPU 队列：实现 Per-CPU 的 WorkQueue，减少锁竞争，提高缓存局部性。
延迟工作（Delayed Work）：集成定时器机制，支持 schedule_delayed_work，允许任务在指定延迟后执行。