定时器函数执行原理揭秘

• 我们总是在无法满足条件的时候调用sleep()是系统睡眠，在编写网络程序的时候，总是调用poll、select,想明白内核是如何实现基于精确时间的调度操作吗？或许我们该交流交流...
  1 前言
  延期执行有两种：
  第一种是不需要精确地时间控制，比如软中断和tasklet机制，在每个异步中断处理结束时处理或者调用内核线程
           ksoftirqd执行。
  第二种需要精确地时间控制，像工作队列[内核线程keventd完成]、等待队列[生产者激活]、完成量等涉及到进程休眠
           等待的结构体都要依靠定时器机制，在某个精确地时间间隔后，由内核执行某个延期操作
  2  定时器类型
     低分辨率定时器：典型分辨率为1ms，由PIT(可编程中断定时器 8253芯片构成)
     高分辨率定时器：可达到ns级的分辨率，如声卡驱动程序可能需要很短的周期间隔向声卡发送一些数据
  由于定时器引发的周期时钟在内核整个生命活动周期内都是活动的,系统不会长时间进入省电模式，从而引入动态时钟
  目前有低分辨率动态时钟和高分辨率动态时钟两种，内核中这四种类别的所有可能组合都是有效地
  3 低分辨率定时器的实现
     在IA-32系统中，一般选用HPET或者PIT作为时钟中断的周期性时钟源，中断每秒大概100次；高HZ适合用交互式应用比较频繁的桌面系统和多媒体系统应用，低HZ适合于服务器和批处理机器。
  实现概览：
  3-1 时钟时间设备初始化
  现在可以系统的介绍内核时钟子系统的初始化过程。系统刚上电时，需要注册 IRQ0 时钟中断，完成时钟源设备，时钟事件设备，tick device 等初始化操作并选择合适的工作模式。由于刚启动时没有特别重要的任务要做，因此默认是进入低精度 + 周期 tick 的工作模式，之后会根据硬件的配置（如硬件上是否支持 HPET 等高精度 timer）和软件的配置（如是否通过命令行参数或者内核配置使能了高精度 timer 等特性）进行切换。在一个支持 hrtimer 高精度模式并使能了 dynamic tick 的系统中，第一次发生 IRQ0 的软中断时 hrtimer 就会进行从低精度到高精度的切换，然后再进一步切换到 NOHZ 模式。IRQ0 为系统的时钟中断，使用全局的时钟事件设备（global_clock_event）来处理的，其定义如下：

  static struct irqaction irq0 = { .handler = timer_interrupt, .flags = IRQF_DISABLED | IRQF_NOBALANCING | IRQF_IRQPOLL | IRQF_TIMER, .name = "timer" };

  它的中断处理函数 timer_interrupt 的简化实现如清单 12 所示：
  

  static irqreturn_t timer_interrupt(int irq, void *dev_id) { . . . . global_clock_event->event_handler(global_clock_event); . . . . return IRQ_HANDLED; }

  在 global_clock_event->event_handler 的处理中，除了更新 local CPU 上运行进程时间的统计，profile 等工作，更重要的是要完成更新 jiffies 等全局操作。这个全局的时钟事件设备的 event_handler 根据使用环境的不同，在低精度模式下可能是 tick_handle_periodic / tick_handle_periodic_broadcast，在高精度模式下是 hrtimer_interrupt。目前只有 HPET 或者 PIT 可以作为 global_clock_event 使用。其初始化流程清单 13 所示：
  

  void __init time_init(void) { late_time_init = x86_late_time_init; } static __init void x86_late_time_init(void) { x86_init.timers.timer_init(); tsc_init(); } /* x86_init.timers.timer_init 是指向 hpet_time_init 的回调指针 */ void __init hpet_time_init(void) { if (!hpet_enable()) setup_pit_timer(); setup_default_timer_irq(); }

  
  由上图 可以看到，系统优先使用 HPET 作为 global_clock_event，只有在 HPET 没有使能时，PIT 才有机会成为 global_clock_event。在使能 HPET 的过程中，HPET 会同时被注册为时钟源设备和时钟事件设备。

  hpet_enable hpet_clocksource_register hpet_legacy_clockevent_register clockevents_register_device(&hpet_clockevent);

  clockevent_register_device 会触发 CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD 事件，即创建对应的 tick_device。然后在 tick_notify 这个事件处理函数中会添加新的 tick_device。

  clockevent_register_device trigger event CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD tick_notify receives event CLOCK_EVT_NOTIFY_ADD tick_check_new_device tick_setup_device

  在 tick_device 的设置过程中，会根据新加入的时钟事件设备是否使用 broadcast 来分别设置 event_handler。对于 tick device 的处理函数，可下图 所示：
  

  	low resolution mode	High resolution mode
  periodic tick	tick_handle_periodic	hrtimer_interrupt
  dynamic tick	tick_nohz_handler	hrtimer_interrupt

  所以在低分辨率且周期性时钟中断中，采用tick_handle_periodic作为时钟中断的处理函数，每次时钟中断，都执行该函数一次调用一下函数：
  tick_handle_periodic(struct clock_event_device* dev)  /Tick-common.c
     -> tick_periodic(cpu)
                 -> do_timer(1)  1 为 1 个jiffies
                 -> update_process_times(user_mode(get_irq_regs())) 通过寄存器来查看是否位于用户态
                 -> profile_tick(CPU_PROFILING)
  3-2 该事件处理程序执行下面两个步骤：
  do_timer() --主cpu执行：更新jiffies、系统墙上时间、系统负载(平均队列长度)
  update_process_times()--每个cpu执行：更新当前进程utime、stime、调用的软中断，激活该cpu上定时器函数、
                                      cpu调度、运行当前注册的posix定时器
  3-3 do_timer()
  /*
   * The 64-bit jiffies value is not atomic - you MUST NOT read it
   * without sampling the sequence number in xtime_lock.
   * jiffies is defined in the linker script...
   */
  若采用动态时钟，ticks可能大于1，这样有利于节省电能
  void do_timer(unsigned long ticks)
  {
     jiffies_64 += ticks;
     update_wall_time();  //待探索
     calc_global_load();  
  /*系统负载定义：
  1 系统平均负载：在特定时间间隔内运行队列中的平均进程数[运行队列长度]，一般来说只要每个CPU的当
  前活动进程数不大于3 那么系统的性能就是良好的，如果每个CPU的任务数大于5，那么就表示这台机器的性能有严重问题.
  2 计算方式： 当前负载：load(t) = [ [5.1s前统计的负载] load(t-1) e^-5/60*m + n* (2048 - e^-5/60)] >> 2048,
  n是系统此刻活动的进程数(包括就绪态和TASK_UNINTERRUPE状态进程)
  m表示前m分钟内的系统平均负载，e^{-5/60 = 1884} e^{-5/60*5 = 2014}
  2048 表示作为精度precision标准
  */
  }
  3-4 update_process_times(int user_tick)    每个cpu统计值更新，目前仍在一步中断处理过程中
  /*
   * Called from the timer interrupt handler to charge one tick to the current
   * process.  user_tick is 1 if the tick is user time, 0 for system.
   */
  void update_process_times(int user_tick)
  {
   struct task_struct *p = current;
   int cpu = smp_processor_id();

   /* Note: this timer irq context must be accounted for as well. */
   account_process_tick(p, user_tick);
   run_local_timers();
   rcu_check_callbacks(cpu, user_tick);
   printk_tick();
   scheduler_tick();
   run_posix_cpu_timers(p);
  }
  3-4-1:更新cpu时间：
  每个时钟中断，动态时钟中可能若干次时钟中断才触发一次中断，所以描述的是每次触发的时钟中断
  更新当前进程utime += 1000000000/HZ [每次中断加10的7次方次]，更新线程组的运行时间，更新
  每cpu上的内核数据统计值，
  /*
   * 'kernel_stat.h' contains the definitions needed for doing
   * some kernel statistics (CPU usage, context switches ...),
   * used by rstatd/perfmeter
   */
  struct cpu_usage_stat {
   cputime64_t user; //cpustat->user = cputime64_add(cpustat->user, tmp);
   cputime64_t nice;
   cputime64_t system;
   cputime64_t softirq;
   cputime64_t irq;
   cputime64_t idle;
   cputime64_t iowait;
   cputime64_t steal;
   cputime64_t guest;
  };
  /*
   * Account a single tick of cpu time.
   * @p: the process that the cpu time gets accounted to
   * @user_tick: indicates if the tick is a user or a system tick
   */
  void account_process_tick(struct task_struct *p, int user_tick)
  {
   cputime_t one_jiffy_scaled = cputime_to_scaled(cputime_one_jiffy);
   struct rq *rq = this_rq();

   if (user_tick)
    account_user_time(p, cputime_one_jiffy, one_jiffy_scaled);
   else if ((p != rq->idle) || (irq_count() != HARDIRQ_OFFSET))
    account_system_time(p, HARDIRQ_OFFSET, cputime_one_jiffy,
          one_jiffy_scaled);
   else
    account_idle_time(cputime_one_jiffy);
  }
  3-4-2 触发软中断，从而处理该cpu上的定时器函数
  /*
   * Called by the local, per-CPU timer interrupt on SMP.
   */
  void run_local_timers(void)
  {
   hrtimer_run_queues();
   raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ); 
  //给task_struct->preemt_count标记，并触发ksoftirqd内核线程，该线程执行的软中断函数分析见下面详解
   softlockup_tick();
  }
  3-4-3 进程调度
  /*
   * This function gets called by the timer code, with HZ frequency.
   * We call it with interrupts disabled.
   *
   * It also gets called by the fork code, when changing the parent's
   * timeslices.
   */
  void scheduler_tick(void)
  {
   int cpu = smp_processor_id();
   struct rq *rq = cpu_rq(cpu);
   struct task_struct *curr = rq->curr;

   sched_clock_tick();

   spin_lock(&rq->lock);
   update_rq_clock(rq);
   update_cpu_load(rq);
   curr->sched_class->task_tick(rq, curr, 0); 
   spin_unlock(&rq->lock);

   perf_event_task_tick(curr, cpu);

  #ifdef CONFIG_SMP
   rq->idle_at_tick = idle_cpu(cpu);
   trigger_load_balance(rq, cpu); //激活内核线程，执行软中断的SHED_SOFTIRQ,各个cpu间负载均衡
  #endif
  }
  4 软中断中处理定时器
  1 比较时间操作
  获取系统自开机以来的jiffies值
  static inline u64 get_jiffies_64(void)
  {
   return (u64)jiffies;
  }
  2 标准的时间比较函数，值均为jiffies值
  #define time_after(a,b)  \
   (typecheck(unsigned long, a) && \
    typecheck(unsigned long, b) && \
    ((long)(b) - (long)(a) < 0))
  #define time_before(a,b) time_after(b,a)

  #define time_after_eq(a,b) \
   (typecheck(unsigned long, a) && \
    typecheck(unsigned long, b) && \
    ((long)(a) - (long)(b) >= 0))
  #define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)

  /*
   * Calculate whether a is in the range of [b, c].
   */
  #define time_in_range(a,b,c) \
   (time_after_eq(a,b) && \
    time_before_eq(a,c))
  3 时间换算
  unsigned int inline jiffies_to_msecs(const unsigned long j)
  {
  #if HZ <= MSEC_PER_SEC && !(MSEC_PER_SEC % HZ)
   return (MSEC_PER_SEC / HZ) * j;
  //假设jiffies=1000,即自开机来执行了1000次，HZ=100，每秒运行100个时钟中断，则当前执行了10000ms=10s
  #elif HZ > MSEC_PER_SEC && !(HZ % MSEC_PER_SEC)
   return (j + (HZ / MSEC_PER_SEC) - 1)/(HZ / MSEC_PER_SEC);
  #else
  # if BITS_PER_LONG == 32
   return (HZ_TO_MSEC_MUL32 * j) >> HZ_TO_MSEC_SHR32;
  # else
   return (j * HZ_TO_MSEC_NUM) / HZ_TO_MSEC_DEN;
  # endif
  #endif
  }
  unsigned int inline jiffies_to_usecs(const unsigned long j)
  unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m)
  unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u)
  4 jiffies和timeval以及timespec之间转化
  时间在内核中以jiffies偏移量或绝对值表示，但是用户在定义定时函数时习惯按秒而不是HZ来思考，内核提供了这两种之间的时间换算
  程序员定义sleep(2)-->转为结构体
  struct timeval {time_t tv_sec;suseconds_t  tv_usec; 微秒}
  struct timespec {time_t tv_sec;long tv_nsec;纳秒}
                          -->转为相对jiffies
  /* Same for "timeval"
   *
   * Well, almost.  The problem here is that the real system resolution is
   * in nanoseconds and the value being converted is in micro seconds.
   * Also for some machines (those that use HZ = 1024, in-particular),
   * there is a LARGE error in the tick size in microseconds.

   * The solution we use is to do the rounding AFTER we convert the
   * microsecond part.  Thus the USEC_ROUND, the bits to be shifted off.
   * Instruction wise, this should cost only an additional add with carry
   * instruction above the way it was done above.
   */
  unsigned long
  timeval_to_jiffies(const struct timeval *value)
  {
   unsigned long sec = value->tv_sec;
   long usec = value->tv_usec;

   if (sec >= MAX_SEC_IN_JIFFIES){
    sec = MAX_SEC_IN_JIFFIES;
    usec = 0;
   }
   return (((u64)sec * SEC_CONVERSION) +
    (((u64)usec * USEC_CONVERSION + USEC_ROUND) >>
     (USEC_JIFFIE_SC - SEC_JIFFIE_SC))) >> SEC_JIFFIE_SC;
  }
  unsigned long timespec_to_jiffies(const struct timespec *value)
  void jiffies_to_timeval(const unsigned long jiffies, struct timeval *value)
  void jiffies_to_timespec(const unsigned long jiffies, struct timespec *value)
            --->转为绝对的jiffies
  m = jiffies + n;   jiffies 为内核中当前的jiffies值
  5 动态定时器原理
  5-1 数据结构
  定时器数据结构:
  struct timer_list {
   struct list_head entry;
   unsigned long expires;                    //绝对的jiffies值

   void (*function)(unsigned long);       //超时回调函数，一般为唤醒进程
   unsigned long data;                       //一般为进程task_struct

   struct tvec_base *base;                  //该cpu对应的定时器数组链表基地址
  #ifdef CONFIG_TIMER_STATS
   void *start_site;
   char start_comm[16];
   int start_pid;
  #endif
  #ifdef CONFIG_LOCKDEP
   struct lockdep_map lockdep_map;
  #endif
  };
  定时器数组链表结构
  struct tvec_base {
   spinlock_t lock;                           //保护定时器中断的锁结构
   struct timer_list *running_timer;   //暂存当前执行的所有定时器结构
   unsigned long timer_jiffies;         //上次的jiffies值
   unsigned long next_timer;           //下次调用的jiffies值
   struct tvec_root tv1;               //最低8位用于最近256个jiffies内的定时器链表[2.56s内的中断] 挂载在256个链表
   struct tvec tv2;                          //用于256-2(14)-1时间范围内        共挂载到64个链表中
  //每个链表挂载了256个时间间隔的时钟中断
   struct tvec tv3;                          //用于2(14) - 2(20)-1时间范围内    共挂载到64个链表中
   struct tvec tv4;                          //用于2(20) -2(26)-1时间范围内     共挂载到64个链表中
   struct tvec tv5;                          //用于2(26)-2(32)-1时间范围内      共挂载到64个链表中
  } ____cacheline_aligned;
  struct tvec_base boot_tvec_bases;
  static DEFINE_PER_CPU(struct tvec_base *, tvec_bases) = &boot_tvec_bases;
  为每个cpu定义一个定时器数组链表结构，初始化为boot_tvec_bases
  #define TVN_BITS (CONFIG_BASE_SMALL ? 4 : 6)
  #define TVR_BITS (CONFIG_BASE_SMALL ? 6 : 8)
  #define TVN_SIZE (1 << TVN_BITS)     64
  #define TVR_SIZE (1 << TVR_BITS)     256
  #define TVN_MASK (TVN_SIZE - 1)     
  #define TVR_MASK (TVR_SIZE - 1)
  struct tvec {
   struct list_head vec[TVN_SIZE];     //共64个链表
  };
  struct tvec_root {
   struct list_head vec[TVR_SIZE];     //共256个链表
  };
  5-2 动态定时器实现原理
  定时器数组链表共分为5个组，第一组256项，每项都是一个双链表，挂载0-255个时钟周期内要执行的定时器任务；其余组都是64项，每组都有64个双链表，以第二组为例，这64项个双链表中每个链表可容许的时间间隔为2(8)=256个时钟周期。对第三组，每个链表可容纳的时间间隔是2(14)个时钟周期。内核主要负责关注第一组定时器，内核在每个组中都有一个计数器，保存了该数组的当前位置编号，每当遇到定时中断，内核扫描第一个数组链表，执行特定位置的所有定时器函数，然后将技术器+1，如果达到256，重新归0，并将第二组中的当前位置的定时器列表填充第一个数组列表，然后第二组当前计数器+=1,依此类推，第三组填充第二组,当前计数器+=1 ...，由于在组间通过指针移动，效率相当高
     那么每组的当前位置如何体现呢，也是在struct tvec_base->timer_jiffies值体现，该值记录了一个时间点，此前到期的定时器都已经执行完毕，该timers_jiffies 一般等于或略微小于jiffies，每一组的索引位置计算如下：
  #define INDEX(N) ((base->timer_jiffies >> (TVR_BITS + (N) * TVN_BITS)) & TVN_MASK)
  注第一组为：base->timer_jiffies & TVR_MASK
  第二组的N=0为：INDEX(0) ((base->timer_jiffies >> (TVR_BITS ) & TVN_MASK)
  第三组的N=1为：INDEX(1) ((base->timer_jiffies >> (TVR_BITS +1*TVN_BITS) & TVN_MASK)
  ...
  5-3 将定时器挂载到每cpu定时器数组链表中
  1 定义一个定时器
  动态定义：
  #define DEFINE_TIMER(_name, _function, _expires, _data)  \
   struct timer_list _name =    \
    TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data)
  #define TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data) {  \
    .entry = { .prev = TIMER_ENTRY_STATIC }, \
    .function = (_function),   \
    .expires = (_expires),    \
    .data = (_data),    \
    .base = &boot_tvec_bases,   \
    __TIMER_LOCKDEP_MAP_INITIALIZER(  \
     __FILE__ ":" __stringify(__LINE__)) \
   }
  静态定义：
  struct timer_list my_timer;
  init_timer(&my_timer)
  my_timer.expires = jiffies + 1*HZ
  my_timer.data = &my_timer;
  my_timer.function = my_function;   void  my_function(unsigned long data)
  2 激活定时器  将定时器加入到当前cpu对应的定时器数组列表中
  2-1
  /**
   * add_timer - start a timer
   * @timer: the timer to be added
   *
   * The kernel will do timer ->function(->data) callback from the
   * timer interrupt at the ->expires point in the future. The
   * current time is 'jiffies'.
   *
   * The timer's ->expires, ->function (and if the handler uses it, ->data)
   * fields must be set prior calling this function.
   *
   * Timers with an ->expires field in the past will be executed in the next
   * timer tick.
   */
  void add_timer(struct timer_list *timer)
  {
       BUG_ON(timer_pending(timer));     //确保该timer->enter.next = NULL,即该timer尚未挂载到内核中
       mod_timer(timer, timer->expires);  //其中的expires为jiffies绝对值
  }
  2-2 mod_timer  修改timer值的超时时间expires值,如果尚未加入列表则加入其中
  /**
   * mod_timer - modify a timer's timeout
   * @timer: the timer to be modified
   * @expires: new timeout in jiffies
   *
   * mod_timer() is a more efficient way to update the expire field of an
   * active timer (if the timer is inactive it will be activated)
   *
   * mod_timer(timer, expires) is equivalent to:
   *
   *     del_timer(timer); timer->expires = expires; add_timer(timer);
   *
   * Note that if there are multiple unserialized concurrent users of the
   * same timer, then mod_timer() is the only safe way to modify the timeout,
   * since add_timer() cannot modify an already running timer.
   *
   * The function returns whether it has modified a pending timer or not.
   * (ie. mod_timer() of an inactive timer returns 0, mod_timer() of an
   * active timer returns 1.)
   */
  int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires) //expires值为绝对值
  {
   /*
    * This is a common optimization triggered by the
    * networking code - if the timer is re-modified
    * to be the same thing then just return:
    */
   if (timer_pending(timer) && timer->expires == expires)
    return 1;
    return __mod_timer(timer, expires, false, TIMER_NOT_PINNED);
  }
  2-3  __mod_timer
  static inline int
  __mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires,
        bool pending_only, int pinned)
  {
   struct tvec_base *base, *new_base;
   unsigned long flags;
   int ret = 0 , cpu;

   timer_stats_timer_set_start_info(timer); //记录该timer对应的进程信息，后面再执行该timer函数时，会收集插入该定时器的进程的相应信息，便于执行某些操作
  /*
  void __timer_stats_timer_set_start_info(struct timer_list *timer, void *addr=0)
  {
   if (timer->start_site)
    return;
   timer->start_site = addr;
   memcpy(timer->start_comm, current->comm, TASK_COMM_LEN);
   timer->start_pid = current->pid;
  }
  */
   BUG_ON(!timer->function);

   base = lock_timer_base(timer, &flags); 
  // 给该cpu定时器数组队列struct tvec_base加锁per_cpu(tvec_bases).lock

   if (timer_pending(timer)) {      //timer已经加入到定时器队列中
    detach_timer(timer, 0);
    if (timer->expires == base->next_timer &&
        !tbase_get_deferrable(timer->base))
     base->next_timer = base->timer_jiffies;
    ret = 1;
   } else {
    if (pending_only)
     goto out_unlock;
   }

   debug_activate(timer, expires);

   new_base = __get_cpu_var(tvec_bases);

   cpu = smp_processor_id();

  #if defined(CONFIG_NO_HZ) && defined(CONFIG_SMP)
   if (!pinned && get_sysctl_timer_migration() && idle_cpu(cpu)) {
    int preferred_cpu = get_nohz_load_balancer();

    if (preferred_cpu >= 0)
     cpu = preferred_cpu;
   }
  #endif
   new_base = per_cpu(tvec_bases, cpu);

   if (base != new_base) {
    /*
     * We are trying to schedule the timer on the local CPU.
     * However we can't change timer's base while it is running,
     * otherwise del_timer_sync() can't detect that the timer's
     * handler yet has not finished. This also guarantees that
     * the timer is serialized wrt itself.
     */
    if (likely(base->running_timer != timer)) {
     /* See the comment in lock_timer_base() */
     timer_set_base(timer, NULL);
     spin_unlock(&base->lock);
     base = new_base;
     spin_lock(&base->lock);
     timer_set_base(timer, base);
    }
   }

   timer->expires = expires;
   if (time_before(timer->expires, base->next_timer) &&
       !tbase_get_deferrable(timer->base))
    base->next_timer = timer->expires;
   internal_add_timer(base, timer);

  out_unlock:
   spin_unlock_irqrestore(&base->lock, flags);

   return ret;
  }
  2.4  internal_add_timer 激活定时器主函数
  static void internal_add_timer(struct tvec_base *base, struct timer_list *timer)
  {
   unsigned long expires = timer->expires; //一般大于jiffies, base->timer_jiffies一般=jiffies-1
   unsigned long idx = expires - base->timer_jiffies;  //相对当前timer_jiffies时间
   struct list_head *vec;

   if (idx < TVR_SIZE) {                   //相对当前jiffies时间在255之内
    int i = expires & TVR_MASK;   
  /*
  *确定在第一组中的插入的列表项，比如base_jiffies=254，timer->expires = 259, idx=5,即在未来5个时钟周期触发
  *当前第一组的当前位置 = timer_jiffies =254，则按理应该将该timer插入到第一组第3项，而i=259&256=3，即插入*到第一组3项，正确
  */
    vec = base->tv1.vec + i;
   }
  else if (idx < 1<< (TVR_BITS + TVN_BITS)) {       //相对当前jiffies时间在256 -  2(14)-1之内
       int i = (expires >> TVR_BITS) & TVN_MASK; 
        vec = base->tv2.vec + i;
  /*
  * 关键思想是：timer->expires[求出未来执行的定时器当前插入的位置] > jiffies > timer_jiffies[作为当前定时器执
  * 行时每项数组下标标准]，由于timer->expires 总是 > timer_jiffies，所以插入的位置在各组中总是相对当前定时器
  * 而言的
  * 依然假设base_jiffies = 254, timer->expires = 512，idx = 258 即距离258个时钟中断触发
  * i= (512 >> 8)&63 = 2，即插入第二个数组的第二项中
  * 当前第一组的当前位置 = timer_jiffies =254，第二组当前位置为IDN(0)=0，
  * 在第二个时钟中断时，timer_jiffies=256,从而将第二组中的当前下
  * 标处移动到第一组中，第二组的下标+=1；在第258个时钟中断时，再将第二组的下一个下标项移动到第一组中。由于
  * 此时在第一组的下标为0，而当第二组的下一个下标移入第一组时，根据timer->expires= 512%256 = 0从而放入第
  * 一组的第0项， 执行到期任务。
  */
   } else if (idx < 1 << (TVR_BITS + 2 * TVN_BITS)) {   
    int i = (expires >> (TVR_BITS + TVN_BITS)) & TVN_MASK;
    vec = base->tv3.vec + i;
   } else if (idx < 1 << (TVR_BITS + 3 * TVN_BITS)) {
    int i = (expires >> (TVR_BITS + 2 * TVN_BITS)) & TVN_MASK;
    vec = base->tv4.vec + i;
   } else if ((signed long) idx < 0) {
    /*
     * Can happen if you add a timer with expires == jiffies,
     * or you set a timer to go off in the past
     */
    vec = base->tv1.vec + (base->timer_jiffies & TVR_MASK);
   }
  else
  {
    int i;
    /* If the timeout is larger than 0xffffffff on 64-bit
     * architectures then we use the maximum timeout:
     */
    if (idx > 0xffffffffUL) {
     idx = 0xffffffffUL;
     expires = idx + base->timer_jiffies;
    }
    i = (expires >> (TVR_BITS + 3 * TVN_BITS)) & TVN_MASK;
    vec = base->tv5.vec + i;
   }
   /*
    * Timers are FIFO:
    */
   list_add_tail(&timer->entry, vec);
  }
  3 定时器软中断，处理该cpu上的定时器
  由上文可知，update_process_times时统计完执行进程时间信息后，执行run_local_timers函数
  3-1 激活时钟处理软中断
  /*
   * Called by the local, per-CPU timer interrupt on SMP.
   */
  void run_local_timers(void)
  {
   hrtimer_run_queues();
   raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ);
   softlockup_tick();
  }
  void raise_softirq(unsigned int nr)
  {
   unsigned long flags;

   local_irq_save(flags);
   raise_softirq_irqoff(nr);
   local_irq_restore(flags);
  }
  inline void raise_softirq_irqoff(unsigned int nr)
  {
   __raise_softirq_irqoff(nr);   //设置该cpu相关结构中的softirq_pending向量，共32项，表明该号软中断有内容处理
                                          local_cpu_data->softirq_pending
  /*
    * If we're in an interrupt or softirq, we're done
    * (this also catches softirq-disabled code). We will
    * actually run the softirq once we return from
    * the irq or softirq.
    *
    * Otherwise we wake up ksoftirqd to make sure we
    * schedule the softirq soon.
    */
   if (!in_interrupt())
    wakeup_softirqd(); //唤醒内核线程，执行或者在中断处理末尾执行软中断
  }
  3-2 时钟处理软中断函数执行，与时钟中断相关的软中断执行函数为：
   /*
   * This function runs timers and the timer-tq in bottom half context.
   */
  static void run_timer_softirq(struct softirq_action *h)
  {
   struct tvec_base *base = __get_cpu_var(tvec_bases);

   perf_event_do_pending();

   hrtimer_run_pending();

   if (time_after_eq(jiffies, base->timer_jiffies))
            __run_timers(base);
  }
  3-3 调用定时器处理函数
  /**
   * __run_timers - run all expired timers (if any) on this CPU.
   * @base: the timer vector to be processed.
   *
   * This function cascades all vectors and executes all expired timer
   * vectors.
   */
  static inline void __run_timers (struct tvec_base *base)
  {
   struct timer_list *timer;

   spin_lock_irq(&base->lock);
   while (time_after_eq(jiffies, base->timer_jiffies)) {   
  //如果当前的jiffies 大于上次调用的timer_jiffies，每循环一次，timer_jiffies+=1,知道=jiffies为止
    struct list_head work_list;
    struct list_head *head = &work_list;
    int index = base->timer_jiffies & TVR_MASK;    //本次调用时的jiffies值对应的第一组的下标
    /*
     * Cascade timers: 级联处理,主要关注第一组，当第一组下标循环到0，即每当timer_jiffies%256=0时，
     *                        将上一组中的一项分流到该组中，依此类推，INDEX（n）= 第n+2组中的当前下标
     */
    if (!index &&
     (!cascade(base, &base->tv2, INDEX(0))) &&       
      (!cascade(base, &base->tv3, INDEX(1))) &&
       !cascade(base, &base->tv4, INDEX(2)))
     cascade(base, &base->tv5, INDEX(3));
    ++base->timer_jiffies;  //每处理一次，定时器+=1，向前进1位
    list_replace_init(base->tv1.vec + index, &work_list);
  //这样第一组中一般肯定会有来自其他组填充的定时器，将该项清空，并且将work_list填充为该项定时器列表
    while (!list_empty(head)) {
     void (*fn)(unsigned long);
     unsigned long data;

     timer = list_first_entry(head, struct timer_list,entry);   //对于每个定时器结构，处理
     fn = timer->function;
     data = timer->data;

     timer_stats_account_timer(timer);  //统计信息，填充struct entry，跟踪执行该timer的进程信息

     set_running_timer(base, timer);
     detach_timer(timer, 1);        //将该timer从双向链表中删除出去

     spin_unlock_irq(&base->lock);
     {
      int preempt_count = preempt_count();

  #ifdef CONFIG_LOCKDEP
      /*
       * It is permissible to free the timer from
       * inside the function that is called from
       * it, this we need to take into account for
       * lockdep too. To avoid bogus "held lock
       * freed" warnings as well as problems when
       * looking into timer->lockdep_map, make a
       * copy and use that here.
       */
      struct lockdep_map lockdep_map =
       timer->lockdep_map;
  #endif
      /*
       * Couple the lock chain with the lock chain at
       * del_timer_sync() by acquiring the lock_map
       * around the fn() call here and in
       * del_timer_sync().
       */
      lock_map_acquire(&lockdep_map);

      trace_timer_expire_entry(timer);
      fn(data);  //执行处理函数
      trace_timer_expire_exit(timer);

      lock_map_release(&lockdep_map);

      if (preempt_count != preempt_count()) {
       printk(KERN_ERR "huh, entered %p "
              "with preempt_count %08x, exited"
              " with %08x?\n",
              fn, preempt_count,
              preempt_count());
       BUG();
      }
     }
     spin_lock_irq(&base->lock);
    }
   }
   set_running_timer(base, NULL);
   spin_unlock_irq(&base->lock);
  }
  /*
  * 作用：将该数组列表中的index项重新插入到定时器数组列表中，由于timers->jiffies此时已变化，所以插入位置也改
             变
  * base  该定时器数组列表
  * tv      该组数组列表
  * index  timer_jiffies目前在该数组列表中的下标，可以为0
  * 当该tvec组满时返回0
  */
  static int cascade(struct tvec_base *base, struct tvec *tv, int index)
  {
   /* cascade all the timers from tv up one level */
   struct timer_list *timer, *tmp;
   struct list_head tv_list;

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

   /*
    * We are removing _all_ timers from the list, so we
    * don't have to detach them individually.
    */
   list_for_each_entry_safe(timer, tmp, &tv_list, entry) {
    BUG_ON(tbase_get_base(timer->base) != base);
    internal_add_timer(base, timer);
   }
   return index;
  }