Linux内核系统定时器TIMER实现过程分析

Linux系统定时器，在内核中扮演着重要角色。内核的许多重要实现如任务调度，工作队列等均以系统定时器关系密切。系统定时器能以可编程的频率中断处理，这一中断叫做软中断。此频率即为每秒的定时器节拍数HZ。HZ的越大，说明定时器节拍越小，线程调度的准确性会越高。但HZ设得过大，对一个系统来说并不好，会导CPU开销过大，反而造成任务调度效率降低。滴答jiffies 变量记录系统启动以来，系统定时器已经触发的次数。也就是说每过一秒jiffies的增量为HZ，一般HZ=100，HZ是可以配置的，在S3C2440 arm linux中配置为200.

下面基于Linux2.6.30.4源码来探讨其实现原理及其过程。

要理解系统定时器实现原理，先来看看关系到系统定时器的各种数据结构，其具体的描述参数。

结构体structtimer_list来描述timer的参数，其数据结构如下：

[cpp]

1. struct timer_list {  


2.        structlist_head entry;              //timer双向链表   


3.        unsignedlong expires;             //timer超时变量   


4.    


5.        void(*function)(unsigned long);   //timer超时回调函数  www.linuxidc.com 


6.        unsignedlong data;                  //传递给回调函数的数据，也就是定时器数据   


7.       struct tvec_base *base;            //timer base向量表用于timer_list的挂载和链表管理   


8.                                               //timer的一些扩展参数   


9. #ifdef CONFIG_TIMER_STATS          


10.        void*start_site;  


11.        charstart_comm[16];  


12.        intstart_pid;  


13. #endif   


14. #ifdef CONFIG_LOCKDEP   


15.        structlockdep_map lockdep_map;  


16. #endif   


17. };  

其中：

[cpp]

1. list_entry结构：  


2. struct list_head {  


3.        structlist_head *next, *prev;  


4. };  


5. tevc_base的结构：  


6. struct tvec_base {  


7.        spinlock_tlock;                         //自旋锁lock   


8.        structtimer_list *running_timer;   //指向已经挂载进来的timer_list   


9.        unsignedlong timer_jiffies;          //timer jiffies用于记录定时器当前jiffies   


10.        structtvec_root tv1;                  //5组tvec_base,从tv1~tv5，成员数各不相同   


11.        structtvec tv2;                        //其成员数TVR_SIZE,TVN_SIZE决定   


12.        structtvec tv3;  


13.        structtvec tv4;  


14.        structtvec tv5;  


15. } ____cacheline_aligned;  


16.   


17. #define TVN_BITS (CONFIG_BASE_SMALL ? 4 :6)   


18. #define TVR_BITS (CONFIG_BASE_SMALL ? 6 :8)   


19. #define TVN_SIZE (1 << TVN_BITS)   


20. #define TVR_SIZE (1 << TVR_BITS)   


21. #define TVN_MASK (TVN_SIZE – 1)   


22. #define TVR_MASK (TVR_SIZE – 1)   


23.    


24. struct tvec {  


25.        structlist_head vec[TVN_SIZE];   // tv2~t5个数为64的数组   


26. };                              


27.    


28. struct tvec_root {  


29.        structlist_head vec[TVR_SIZE];  //tv1个数为256的数组   


30. };  

可见涉及到系统定时器的数据结构并不多，那么：对于一个linux系统中，定时器个数可能会很多，而且每个定时器的超时事件时间并不相同，所以如何管理和处理定时器超时事件，关系到内核性能的高低。它根据不同的定时事件，按时间间分组，将新增的timer定时器建成双向链表，然后按照一定方式存放于5组tv1~tv5变量中称为tec_base。对于对称式多理器（SMP）系统还考虑到了TIMER从一个CPU迁移到另一个CPU的情况，相应的tev_base也跟着更改。那它在系统是怎样实现的呢？现在先从一个简单的系统定时器应用例子来看看它的实现过程：

[cpp]

1. #include <linux/init.h>   


2. #include <linux/module.h>   


3. #include <linux/timer.h>   


4.    


5. struct  timer_list   my_timer;  


6.    


7. static void my_function(unsigned   long  data)  


8. {  


9.           static int i = 0;  


10.            printk( “timer’s callback function\n”);  


11.            printk( “timer’s data = %lu\n”,data);  


12.            return;  


13. }  


14.    


15. static int my_timer_init(void)  


16. {  


17.               printk(“timerinit…\n”);  


18.            my_timer.data = 0xff;  


19.            my_timer.function = my_function;  


20.            my_timer.expires = jiffies + 3*HZ;  


21.            init_timer(&my_timer);  


22.            add_timer(&my_timer);  


23.            return  0;  


24. }  


25.    


26. static void my_timer_exit(void)  


27. {  


28.               printk( “timer exit…\n”);  


29. }  


30.    


31. module_init(my_timer_init);  


32. module_exit(my_timer_exit);  


33. MODULE_AUTHOR( “itspy”);  


34. MODULE_LICENSE( “GPL”);  


35. MODULE_DESCRIPTION(“linux kernel timerprogramming”);  

上面例子，实现了一个定时器事件,将在3 HZ（秒）发生。my_imer_init函数中调用到的定时器API只有：

init_timer(&my_timer);   //用于定时器初始化

add_timer(&my_timer);    //增加一个新的定时器到tev_base向量表中

其中init_timer中调用了__init_timer()，这个函数才是真正初始化定时器的：

[cpp]

1. static void __init_timer(struct timer_list*timer,  


2.                       const char *name,  


3.                       struct lock_class_key *key)  


4. {  


5.        timer->entry.next= NULL;                           //对于新增的timer实例，其下一各总是指向NULL。   


6.        timer->base= __raw_get_cpu_var(tvec_bases); //SMP中，获得当前处理器的tev_base   


7.                                                                    //这个tev_bases是根据一定规律变化的，稍后会将到   


8.     …  


9. }  

新增的定时器初始化，就是完成了一个timer_list结构初始化过程。

add_timer()  –> mod_timer()  –>  __mod_timer()

[cpp]

1. static inline int  


2. __mod_timer(struct timer_list *timer,unsigned long expires, bool pending_only)  


3. {  


4.        structtvec_base *base, *new_base;  


5.        unsignedlong flags;  


6.        intret;  


7.    


8.        ret= 0;  


9.        BUG_ON(!timer->function);                 // BUG检测，确保回调函数为非空NULL   


10.        base= lock_timer_base(timer, &flags); //获取本地cpu的tev_base，这是一个临   


11.                                                           //界资源，里边是一个for(;;)循环，如果找不到说明已经迁移到了别的CPU   


12.        if (timer_pending(timer)) {                  //当已挂载的timer 定时超时发生后，会被卸载摘除   


13.               detach_timer(timer,0);             


14.               ret= 1;  


15.        }else {  


16.               if(pending_only)                        //新增一个定时器时,pending_only 为 false   


17.                      gotoout_unlock;  


18.        }  


19.    


20. …  


21.        new_base= __get_cpu_var(tvec_bases);   //获取本地cpu中的tevc_bases   


22.        if(base != new_base) {     //由于之前base 可能已被迁移到其他CPU的 tev_base向量表，会造成 base != new_base   


23.               if(likely(base->running_timer != timer)) { //由于在timer正在运行时，我们不能直接更改base,位与一个叫做DEFERRABLE（可延后标志）后处理   


24.                      /*See the comment in lock_timer_base() */      


25.                      timer_set_base(timer,NULL);  


26.                      spin_unlock(&base->lock);  


27.                      base= new_base;  


28.                      spin_lock(&base->lock);  


29.                      timer_set_base(timer,base);  


30.               }  


31.        }  


32.    


33.        timer->expires= expires;                  


34.        internal_add_timer(base,timer);       //分析timer expires及建表过程   


35.    


36. out_unlock:  


37.        spin_unlock_irqrestore(&base->lock,flags);  


38.    


39.        return ret;  


40. }  

对于新增的timer最后调用internal_add_timer(base, timer)加入到相应的timer_list中以完成初始化过程。，这是一个建表的过程，表的建立情况，关系到表的管理效率。之前我们说到它共有tv1~tv5 组，tv1是一个很特别的组。每个tv中有各个组员，每个timer是如何添加的呢，看看internal_add_timer()的实现过程：

[cpp]

1. static void internal_add_timer(structtvec_base *base, struct timer_list *timer)  


2. {  


3.        unsignedlong expires = timer->expires;  


4.        unsignedlong idx = expires – base->timer_jiffies;  


5.        structlist_head *vec;  


6.    


7.        if(idx < TVR_SIZE) {  


8.               inti = expires & TVR_MASK;  


9.               vec= base->tv1.vec + i;  


10.        }else if (idx < 1 << (TVR_BITS + TVN_BITS)) {  


11.               inti = (expires >> TVR_BITS) & TVN_MASK;  


12.               vec= base->tv2.vec + i;  


13.        }else if (idx < 1 << (TVR_BITS + 2 * TVN_BITS)) {  


14.               inti = (expires >> (TVR_BITS + TVN_BITS)) & TVN_MASK;  


15.               vec= base->tv3.vec + i;  


16.        }else if (idx < 1 << (TVR_BITS + 3 * TVN_BITS)) {  


17.               inti = (expires >> (TVR_BITS + 2 * TVN_BITS)) & TVN_MASK;  


18.               vec= base->tv4.vec + i;  


19.        }else if ((signed long) idx < 0) {  


20.               /* 


21.                * Can happen if you add a timer with expires== jiffies, 


22.                * or you set a timer to go off in the past 


23.                */  


24.               vec= base->tv1.vec + (base->timer_jiffies & TVR_MASK);  


25.        }else {  


26.               inti;  


27.               /*If the timeout is larger than 0xffffffff on 64-bit 


28.                * architectures then we use the maximumtimeout: 


29.                */  


30.               if(idx > 0xffffffffUL) {  


31.                      idx= 0xffffffffUL;  


32.                      expires= idx + base->timer_jiffies;  


33.               }  


34.               i= (expires >> (TVR_BITS + 3 * TVN_BITS)) & TVN_MASK;  


35.               vec= base->tv5.vec + i;  


36.        }  


37.        /* 


38.         * Timers are FIFO: 


39.         */  


40.        list_add_tail(&timer->entry,vec);  


41. }  

通过代码我们知道它的过程是这样的：首先它根据每个timer中的超时差值idx来决定timer所处的tev_base组别tv1~tv5.所以超时事件越后发生，那么它所处的组位置越靠后。对于tv1组，超时插值idx为0~255之间。差值idx即为所属组tv1中的数组下标。从中可知tv1组中相邻定时器的超时事件间隔1 jiffies发生。对于tv2组,超时差值idx为 256~2^14(16386)  之间，组中相邻定时时器超事件时间隔256^1 = 256 jiffies发生。以此类推,tv3 组超时差值idx为(16387~2^20)之间,组中相邻定时器超时时间间隔256^2 = 65536 jiffies发生 … 最后，新增的timer加入到当前节点（超时差值相等）的尾部list_add_tail()形成一个双向链表。这样分组timer双向链表方便了后面对定时器的迁移更新管理过程，以及最终提高了CPU的处理效率，因为在__run_timers()时，我们只需扫描tv1组中即将到来的定时器事件就行了。

我们知道启动过程时start_kernel()对定时器的初始化是这样的 ：

init_timers() -> run_timer_softirq()  -> __run_timers()…

timer_interrupt() -> update_process_times() ->run_local_timers() -> raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ);

之前我写的一篇《内核窥秘之一：start_kernel()运行过程记录》也有提到过.

       __run_timers()是系统定时器超时事件的服务程序。这是run_timer_softirq()中一部分，是通过软中断的实现的，它是在软中断下半部处理的。

[cpp]

1. static inline void __run_timers(structtvec_base *base)  


2. {  


3.        …  


4.        while(time_after_eq(jiffies, base->timer_jiffies)) {      //确定当前tvec_base->timer_jiffies是否有效   


5.               structlist_head work_list;  


6.               structlist_head *head = &work_list;  


7.               intindex = base->timer_jiffies & TVR_MASK;               //只需扫描tv1组，看当前jiffies时刻是否有超时发生   


8.               if(!index &&                                                         //cascade()定时器队列级联函数实现了   


9.                      (!cascade(base,&base->tv2, INDEX(0))) &&         //tv5~tv2组迁移过程   


10.                             (!cascade(base,&base->tv3, INDEX(1))) &&    


11.                                    !cascade(base,&base->tv4, INDEX(2)))  


12.                      cascade(base,&base->tv5, INDEX(3));  


13.               ++base->timer_jiffies;                                            //更新当前tvec_base->timer_jiffies   


14.               list_replace_init(base->tv1.vec+ index, &work_list);        //链表更新新、旧取代   


15.               while(!list_empty(head)) { //判定是否有定时器超时事件发生，非空为有,知道处理完链表中所有相同的定时器事件为止   


16.                      void(*fn)(unsigned long);  


17.                      unsignedlong data;  


18.    


19.                      timer= list_first_entry(head, struct timer_list,entry);  // 这是一个宏，获取第一个实体（对应的是入口的下一个）的地址   


20.                      fn= timer->function;                                      


21.                      data= timer->data;              


22.            …  


23.                      fn(data);                                                        //timer超时时回调函数入口   


24.            …  


25.         }  


26.        }  


27.      …  


28. }  

对于cascade()函数它是确保之前定时器建立时internal_add_timer（）定时器队列以及队列租得迁移更新工作，为什么要迁移，因为，系统在处理定时器时，比较的只是tv1组而已,也就是说，原来的tv1执行完之后,那么剩下的tv2,tv3,tv4,tv5将会先后迁移到tv1组：tv5 -> tv4 -> tv3 -> tv2-> tv1，这样定时器超时事件服务程序并不需要对每组的tv的超时事件进行检测,相比而言，也就提高了CPU的处理效率。那么这样一来timer 链表将发生变化，所以需要重新计算，重新实现internal_add_timer()，所以cascade ()函数代码如下：

[cpp]

1. tatic int cascade(struct tvec_base *base,struct tvec *tv, int index)  


2. {  


3.        /*cascade all the timers from tv up one level */  


4.        structtimer_list *timer, *tmp;  


5.        structlist_head tv_list;  


6.    


7.        list_replace_init(tv->vec+ index, &tv_list);                   //   


8.        list_for_each_entry_safe(timer,tmp, &tv_list, entry) {  


9.               BUG_ON(tbase_get_base(timer->base)!= base);    //确保本地cpu 的tvec_base没   


10.               internal_add_timer(base,timer);                         //有发生改变   


11.        }  


12.    


13.        return index;  


14. }  

通过以上分析，我们对Linux中系统定时器TIMER实现过程有所了解了。