Linux内核学习笔记八——定时器和时间管理

一 内核中的时间观念

       内核在硬件的帮助下计算和管理时间。硬件为内核提供一个系统定时器用以计算流逝的时间。系

 统定时器以某种频率自行触发，产生时钟中断，进入内核时钟中断处理程序中进行处理。

       墙上时间和系统运行时间根据时钟间隔来计算。

利用时间中断周期执行的工作：

       更新系统运行时间；

       更新实际时间；

       在smp系统上，均衡调度程序中各处理器上运行队列；

       检查当前进程是否用尽了时间片，重新进行调度；

       运行超时的动态定时器；

       更新资源消耗和处理器时间的统计值；

二 节拍率

       系统定时器的频率；通过静态预处理定义的——HZ；系统启动按照HZ值对硬件进行设置。体系结构不同，HZ值也不同；HZ可变的。

　　　　//内核时间频率

　　　　#define HZ 1000

提高节拍率中断产生更加频繁带来的好处：

       提高时间驱动事件的解析度；

       提高时间驱动事件的准确度；

       内核定时器以更高的频度和准确度；

       依赖顶上执行的系统调用poll()和select()能更高的精度运行；

       系统时间测量更精细；

       提高进程抢占的准确度；

提高节拍率带来的副作用：

       中断频率增高系统负担增加；

       中断处理程序占用处理器时间增多；

       频繁打断处理器高速缓存；

节拍率HZ值需要在其中进行平衡。

 

三 jiffies

　　jiffies：全局变量，用来记录自系统启动以来产生的节拍总数。启动时内核将该变量初始化为0；

此后每次时钟中断处理程序增加该变量的值。每一秒钟中断次数HZ，jiffies一秒内增加HZ。系统运行时间 = jiffie/HZ.

jiffies用途：计算流逝时间和时间管理

jiffies内部表示：

              extern u64 jiffies_64;

              extern unsigned long volatile jiffies;     //位长更系统有关32/64

　　32位：497天后溢出

　　64位：……

      

//0.5秒后超时

unsigned long timeout = jiffies + HZ/2;
……

//注意jiffies值溢出回绕用宏time_before 而非 直timeout > jiffies
if(time_before(jiffies,timeout)){

       //没有超时
}else{

       //超时
}

四 硬时钟和定时器

　　两种设备进行计时：系统定时器和实时时钟。

实时时钟（RTC）：用来持久存放系统时间的设备，即便系统关闭后，靠主板上的微型电池提供电力保持系统的计时。

　　　　系统启动内核通过读取RTC来初始化墙上时间，改时间存放在xtime变量中。

系统定时器：内核定时机制，注册中断处理程序，周期性触发中断，响应中断处理程序，进行处理执行以下工作：

　　l  获得xtime_lock锁，访问jiffies和更新墙上时间xtime；

　　l  更新实时时钟；

　　l  更新资源统计值：当前进程耗时，系统时间等；

　　l  执行已到期的动态定时器；

　　l  执行scheduler_tick（）

 

//中断处理程序    
irqreturn_t timer_interrupt(int irq, void *dev)
{
    //ticks have passed
    long nticks;

    xtime_update(nticks);

    while (nticks--)
           update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));

    return IRQ_HANDLED;
}
 

void xtime_update(unsigned long ticks)
{
    //seq锁
    write_seqlock(&xtime_lock);

    do_timer(ticks);

    write_sequnlock(&xtime_lock);
}

void do_timer(unsigned long ticks)
{
    jiffies_64 += ticks;

    //更新墙上时间 ——实际时间
    update_wall_time();

    calc_global_load(ticks);
}

 

void update_process_times(int user_tick)
{
    struct task_struct *p = current;

    //计算当前进程执行时间
    account_process_tick(p, user_tick);

    //触发软中断TIMER_SOFTIRQ 超时的timer
    run_local_timers();

    //计算进程时间片
    scheduler_tick();

}

 

五 定时器

       定时器：管理内核时间的基础，推后或执行时间执行某些代码。

定时器数据结构：

struct timer_list {
              struct list_head entry;

              //定时值基于jiffies
              unsigned long expires;

              //定时器内部值
              struct tvec_base *base;

              //定时器处理函数
              void (*function)(unsigned long);

              //定时器处理函数参数
              unsigned long data;

              ……
       };

定时器使用：

    struct timer_list my_timer;

       //初始化定时器
       init_timer(&my_timer);

       ……
      
       //激活定时器
       add_timer(&my_timer);


       //删除定时器
       del_timer(my_timer);

       ……

六 延迟执行

       使用定时器和下半部机制推迟执行任务。还有其他延迟执行的机制：

忙等待：

       利用节拍，精确率不高

       unsigned long delay = jiffies + 2*HZ ; //2秒 节拍整数倍才行；

       while(time_before(jiffies,delay))

              ;

短延迟：延迟时间精确到毫秒，微妙；短暂等待某个动作完成时,比时钟节拍更短；依靠数次循环达到延迟效果。

       void udelay(unsigned long usecs)

       void mdelay(unsigned long msecs)

 

schedule_timeout()延迟：使执行的任务睡眠指定时间，达到延迟

 

signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout)
{
       struct timer_list timer;
       unsigned long expire;

       switch (timeout)
       {
      　　 case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:

              //无限期睡眠
              schedule();
              goto out;
       　　default:
              if (timeout < 0) {
                     current->state = TASK_RUNNING;
                     goto out;
              }
       }
       //超时时间
       expire = timeout + jiffies;

       //初始化一个timer定时器 参数current task
       setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current);

       __mod_timer(&timer, expire, false, TIMER_NOT_PINNED);

       schedule();

       del_singleshot_timer_sync(&timer);
 
       /* Remove the timer from the object tracker */
       destroy_timer_on_stack(&timer);
       timeout = expire - jiffies;
 
 out:
       return timeout < 0 ? 0 : timeout;
}


static void process_timeout(unsigned long __data)
{
       //唤醒被睡眠的任务
       wake_up_process((struct task_struct *)__data);
}