Linux 内核 Workqueue 原理与实现及其在 KFD SVM功能的应用

1. 前言

在 Linux 内核开发中，workqueue（工作队列）是一种极为重要的异步任务处理机制。它允许内核模块和驱动程序将需要在进程上下文（而非中断上下文）中执行的任务延后、异步地交由内核线程处理，从而实现中断处理与复杂/耗时操作的解耦，提升系统实时性和健壮性。

KFD（Kernel Fusion Driver），广泛使用 workqueue 机制来处理异步事件、内存管理、SVM（共享虚拟内存）区间管理、GPU 迁移等复杂任务。本文将系统介绍 workqueue 的原理、实现、API、典型用法，并结合 KFD 驱动源码进行深入分析。

2. Workqueue 的基本概念

2.1 为什么需要 Workqueue

• 中断上下文限制：在中断处理函数（ISR）中，不能执行阻塞、耗时或可能睡眠的操作，只能做快速判定和简单处理。

• 异步任务需求：许多内核任务（如 IO、内存回收、设备管理等）需要在进程上下文中异步完成，不能阻塞关键路径。

• 解耦与性能：workqueue 机制将复杂操作延后到内核线程中执行，提升中断响应速度，避免系统卡顿。

2.2 Workqueue 的基本原理

• 工作项（work item） ：用 struct work_struct 或 struct delayed_work 描述的任务单元，包含待执行的回调函数和上下文。

• 工作队列（workqueue）：内核维护的任务队列，负责调度和执行工作项。可以是全局队列（system_wq）、专用队列，也可以是延迟队列。

• 内核线程 ：workqueue 由内核线程（如 kworker/*）驱动，负责从队列中取出工作项并调用其回调函数。

2.3 Workqueue 的优势

• 支持异步、延迟、定时任务。

• 自动并发调度，可根据 CPU 数量自动扩展 worker 线程。

• 支持多队列、优先级、绑定 CPU 等高级特性。

• API 简单，易于集成到驱动和内核模块中。

3. Workqueue 的实现机制

3.1 关键数据结构

• struct work_struct：普通工作项，适合立即执行的任务。

• struct delayed_work：延迟工作项，适合定时/延后执行的任务。

• struct workqueue_struct：工作队列对象，描述一个 workqueue 的属性和状态。

• struct worker：内核 worker 线程，负责实际执行工作项。

3.2 工作项的生命周期

1. 初始化： 使用 INIT_WORK() 或 INIT_DELAYED_WORK() 宏初始化工作项，指定回调函数。

2. 调度： 调用 schedule_work() 或 queue_delayed_work() 将工作项加入队列。

3. **执行：**内核 worker 线程从队列中取出工作项，调用其回调函数。

4. 完成/复用： 工作项执行完毕后可复用或释放。可通过 cancel_work_sync() 等 API 取消未执行的工作项。

3.3 工作队列的类型

• system_wq：全局普通工作队列，适合大多数场景。

• system_highpri_wq：高优先级队列。

• system_long_wq：适合长时间运行任务。

• system_unbound_wq：不绑定 CPU，可跨 NUMA 节点调度。

• 自定义 workqueue ：驱动可通过 alloc_workqueue() 创建专用队列，支持更多定制。

3.4 典型 API

API 名称	作用说明
INIT_WORK()	初始化普通工作项
INIT_DELAYED_WORK()	初始化延迟工作项
schedule_work()	调度普通工作项到 system_wq
queue_delayed_work()	调度延迟工作项到队列
flush_work()	等待指定工作项完成
cancel_work_sync()	取消并同步等待工作项
alloc_workqueue()	创建自定义工作队列
destroy_workqueue()	销毁自定义工作队列

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4. Workqueue 的实现细节

4.1 工作队列的调度机制

• 内核为每个 workqueue 维护一个任务队列和若干 worker 线程。

• 当有工作项被调度时，worker 线程会被唤醒，从队列中取出工作项并执行其回调。

• 对于延迟工作项，内核使用定时器机制，在到期后将其加入队列。

4.2 并发与同步

• 多个 worker 线程可并发处理不同的工作项，提升吞吐。

• 同一工作项不能被重复调度，内核通过 work->data 字段防止重复入队。

• 可通过 flush_work() 等 API 等待工作项完成，保证同步。

4.3 取消与回收

• cancel_work_sync() 可取消未执行的工作项，并等待正在执行的工作项完成。

• flush_workqueue() 可等待整个队列的所有工作项完成。

4.4 性能与扩展性

• 支持 NUMA、CPU 亲和性、优先级等高级特性。

• 可根据系统负载自动扩展 worker 线程数量，避免瓶颈。

5. Workqueue 在 KFD 驱动中的应用

KFD 驱动作为 AMD ROCm 平台的核心组件，广泛使用 workqueue 机制来处理异步事件、内存管理、SVM 区间管理、GPU 迁移等复杂任务。下面结合 KFD 源码，简要分析SVM中的应用场景。

5.1 SVM 区间管理中的 deferred work

5.1.1 deferred_list_work

INIT_WORK(&svms->deferred_list_work, svm_range_deferred_list_work);

• 用途 ：

  • 处理 SVM 区间的延迟操作，如区间拆分、合并、unmap、notifier 更新等。

  • 保证复杂区间操作在进程上下文中安全完成，避免死锁和竞态。

• 典型流程 ：

  1. 某些操作（如 unmap、属性变更）将区间加入 deferred_range_list。

  2. 调用 schedule_work(&svms->deferred_list_work) 异步处理。

  3. svm_range_deferred_list_work 回调中遍历 deferred list，依次处理每个区间的具体操作（如 unlink、free、notifier 更新等）。

5.1.2 restore_work

INIT_DELAYED_WORK(&svms->restore_work, svm_range_restore_work);

• 用途 ：

  • 处理 SVM 区间被驱逐（evict）后的恢复操作，如重新映射、迁移、恢复 GPU 队列等。

  • 支持延迟重试机制，保证恢复操作在资源可用时自动重试。

• 典型流程 ：

  1. 区间被 evict 后，调用 queue_delayed_work(system_freezable_wq, &svms->restore_work, delay)。

  2. svm_range_restore_work 回调中遍历所有被驱逐区间，尝试恢复映射和队列。

  3. 如果恢复失败，自动再次调度自身，直到成功。

5.2 VRAM BO 驱逐与释放

5.2.1 eviction_work

INIT_WORK(&svm_bo->eviction_work, svm_range_evict_svm_bo_worker);

• 用途 ：

  • 当 VRAM buffer object 需要被驱逐时，异步迁移数据到系统内存，并释放相关资源。

  • 保证驱逐操作不会阻塞关键路径，提升系统响应能力。

• 典型流程 ：

  1. 触发驱逐时，调用 schedule_work(&svm_bo->eviction_work)。

  2. svm_range_evict_svm_bo_worker 回调中完成数据迁移、资源释放等操作。

5.2.2 release_work

INIT_WORK(&svm_bo->release_work, svm_range_bo_wq_release);

• 用途 ：
  • 异步释放 VRAM BO 相关资源，避免在关键路径中直接释放导致死锁或性能抖动。

5.3 其他典型应用

KFD 中断处理 ：KFD 的中断处理采用"快速判定 + 工作队列"模式，ISR 只做判定，复杂事件推送到工作队列异步处理（interrupt_work）。

CRIU 检查点/恢复：部分 SVM 区间的恢复、属性设置等操作也通过 workqueue 机制异步完成。

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6. KFD SVM 区间管理中的 Workqueue 代码分析

以 SVM 区间属性设置为例，流程如下：

1. 属性设置请求

   用户空间通过 ioctl 发起 SVM 区间属性设置请求，驱动进入 svm_range_set_attr。

2. 区间拆分/合并/克隆

   调用 svm_range_add，根据新属性和现有区间关系，拆分、克隆、合并区间，生成 insert_list、update_list、remove_list、remap_list。

3. 事务性应用

   • insert_list：通过 svm_range_add_to_svms 和 svm_range_add_notifier_locked 插入区间和注册 notifier。

   • update_list：应用新属性，必要时触发迁移和映射。

   • remove_list：通过 svm_range_unlink、svm_range_remove_notifier、svm_range_free 异步移除和释放区间。

4. 延迟操作

   某些操作（如 unmap、notifier 更新）通过 svm_range_add_list_work 加入 deferred_list，调用 schedule_work(&svms->deferred_list_work) 异步处理。

5. 驱逐与恢复

   区间被驱逐时，通过 queue_delayed_work(&svms->restore_work) 异步恢复，保证系统健壮性。