Linux内核开发基础-低精度timer_list和高精度hrtimer定时器

Linux内核定时器开发-低精度和高精度定时器

上篇文章讲解了如何正确的使用内核延时函数，在进行驱动开发时，可能会经常用到精确地延时操作。除此之外，如果要实现一个定时任务，那就需要用到定时器。作为一项基础功能需求，Linux内核提供了定时器相关的实现。下面就具体看一下，Linux内核所提供的定时器实现。

定时器种类

为了适应不同的应用场景，Linux内核提供了两种定时器：低精度和高精度定时器。低精度定时器基于硬件的周期性中断实现，其定时周期的粒度为1/HZms，例如，内核HZ为1000，那么低精度的定时器最小定时时间为1ms；高精度定时器可以实现ns级的定时，不过，实际的定时周期粒度与CPU的主频有关，比如，桌面级的CPU一般都是GHZ级别，那么，其定时粒度可以达到ns级别，而对于嵌入式CPU，其主频一般在百兆级别，那么定时粒度就只能达到us级别了。在进行开发时，需要根据实际场景，选择合适的定时器来实现功能。那么，实际开发时，如何使用这两类定时器呢？下面两节，就来具体看一下。

低精度定时器

上文说了，低精度定时器依赖于内核时钟中断实现，内核中所有的此类定时器会组成一个链表，处理时钟中断时，内核会检查定时器列表是否有到时的定时器，如果有，就会调用定时器处理函数，进行相关的处理。

这里需要强调的是，执行此类定时器的处理函数时处于“软中断”上下文，软中断是中断下半部处理的一种机制，“软中断”上下文是原子性的，不可以执行可能会引起系统调度或可能睡眠的操作，比如，kmalloc、copy_from_user、msleep、mutex_lock等等。如果在定时器处理函数中调用了上述函数，比如，msleep函数，会引其内核模块崩溃，严重的会导致系统崩溃，所以，使用时切记小心！

基本数据结构

struct timer_list {
	/*
	 * All fields that change during normal runtime grouped to the
	 * same cacheline
	 */
	struct hlist_node	entry;
	unsigned long		expires;
	void			(*function)(unsigned long);
	unsigned long		data;
	u32			flags;
};

上面是低精度定时器timer_list的数据结构，从名字就可以判断出其基于链表实现，其通过entry挂载到内核的定时器哈希列表中。expires表示定时时间，注意：expires的单位为时钟滴答间隔，比如，你想设置一个定时周期为10ms的定时器，那么expires应该表示为jiffies+msec_to_jiffies(10)；function为定时器处理函数，data为function的入参，flags为定时器的一些选项，一般不需要配置。

可以看到，定时器的数据结构十分的简单，基本上没有什么难理解的地方。下面主要看一下，如何使用该定时器。

主要API

要想在内核中使用timer_list定时器，一般需要以下几个步骤：

1. 声明一个定时器，例如，struct timer_list timer;

2. 初始化定义定时器，初始化定时器有几种方式：

   • #define TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data) ，例如，struct timer_list timer = TIMER_INITIALIZER（func, expires, data）；
   • #define DEFINE_TIMER(_name, _function, _expires, _data)，例如，DEFIME_TIMER(timer,func，expires，data）；
   • #define setup_timer(timer, fn, data)， 例如，setup_timer(&timer, func， data）

3. 增加定时器， add_timer用于将定时器添加到内核定时器链表中，至此，定时器开始工作。timer_list，为单次触发的定时器，如果想连续执行定时任务，那么需要再定时处理函数的末尾再次执行add_timer，以便再次激活定时器。add_timer函数原型如下：

   extern void add_timer(struct timer_list *timer);

4. 删除定时器，del_timer用于将定时器从内核定时器链表中立刻去除，不管是否正在处理该定时器。del_timer_sync()，是del_timer的同步版本，其会等待该定时器被处理完毕，注意，该函数可能会导致发生系统调度，所以其不能用在原子上下文中，比如，中断上下文。del_timer函数原型如下：

   extern int del_timer(struct timer_list * timer);

5. 修改定时器，mod_timer可以修改定时器的超时时间，其函数原型如下：

   mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)

   • timer，表示当前被修改的定时器
   • expires，基于jiffiesd新的超时时间

对于已经激活的定时器（未激活时，mod_timer会将其激活），修改超时时间，使用mod_timer十分高效的，其相当于下面的操作：

del_timer(timer); timer->expires = expires; add_timer(timer); 

这里需要注意的是，如果系统中有多个用户同步的使用同一个已激活的定时器（未加锁进行串行化），那么使用mod_timer是唯一可以安全的修改定时器的方法，因为mod_timer对于定时器的超时时间的修改是原子性的。

定时器使用模板

好了，实际开发时，知道上面的API使用方式，完全可以应付90%的低速定时器使用场景。下面说一下此类定时器的使用时的具体模式，请看代码。

lrtimer.c文件：

    #include 
	#include 
	#include 
	 
	static struct timer_list timer;
	static unsigned long data = 10; 	 
	 
	/*
	 * @breif:定时器处理函数
	 *
	 * @func:
	 *
	 * @param: data为setup_timer时传入的data参数
	 *
	 * @return:
	 *
	 */
	static void timer_cb(unsigned long data)
	{
	    printk("data = %lu.\n", data);
	 
	    mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10)); /*step3:重新激活定时器*/
	}
	 
	 
	static int __init module_lrtimer_init( void )
	{
	    printk("low resolution timer init.\n");
	    
	    setup_timer(&timer, timer_cb, data);              /*step1:定义并初始化定时器*/
	 
	    mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10/*ms*/));/*step2:修改定时器超时时间，并激活定时器*/
	 
	    return 0;
	}
	 
	 
	static void __exit module_lrtimer_exit( void )
	{
	    printk("low resolution timer exit.\n");
	    del_timer(&timer);
	}
	 
	module_init(module_lrtimer_init);
	module_exit(module_lrtimer_exit);

Makefile文件：

	KVERS = $(shell uname -r)
	        
	# Kernel modules
	obj-m += lrtimer.o
	        
	# Specify flags for the module compilation.
	EXTRA_CFLAGS=-g -O0 
	        
	build: kernel_modules
	        
	kernel_modules:
	    make -C $(KVERS)/build M=$(CURDIR) modules
	        
	clean:
	    make -C $(KVERS)/build M=$(CURDIR) clean         

高精度定时器

上文看到低精度定时器的分辨率严重依赖内核的时钟中断，如果HZ为1000，那么其分辨率也仅仅为1ms，如果想要使用更高分辨率的定时器，那只能求助于hrtimer了。Linux内核在2005年开始在内核中增加hrtimer的支持，其基本特性如下：

• 高精度，定时的分辨率为1ns(ps:实际的分辨率依赖于CPU时钟的频率，嵌入式系统的分辨率在us级别），其时钟源来自于CPU的硬件clock。
• 与timer_list不同，与jiffies没有任何关系，所有内核逻辑都工作在64-bit ns级分辨率之上。
• 支持多种平台，i386, x86_64, ARM, PPC, PPC64, IA64。

hrtimer的应用也十分的广泛，依赖于posix-timers的用户空间程序，内核中需要高分辨率的驱动程序（多媒体驱动程序）等。

检查是否支持hrtimer

在使用hrtimer之前，需要确认当前内核是否支持，检测是否支持的方式有两种：

1. 对于自行编译的内核，可以检测内核的配置文件是否打开了CONFIG_HIGH_RES_TIMERS选项。

    #
    # Timers subsystem
    #
    CONFIG_TICK_ONESHOT=y
    CONFIG_NO_HZ_COMMON=y
    # CONFIG_HZ_PERIODIC is not set
    CONFIG_NO_HZ_IDLE=y
    # CONFIG_NO_HZ_FULL is not set
    CONFIG_NO_HZ=y
    CONFIG_HIGH_RES_TIMERS=y
   

2. 对于现存的内核，可以通过查看/proc/timer_list的信息，来确定是否支持hrtimer。

    root@zpd /proc$ cat timer_list 
    Timer List Version: v0.7
    HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES: 4
    now at 1559369165518 nsecs
    
    cpu: 0
     clock 0:
      .base:       8bdc0308
      .index:      0
      .resolution: 1 nsecs
   

注意到，HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES：4，.resolution: 1 nsecs表示当前内核是支持hrtimer的。

基本数据结构

1. ktime：

    union ktime {   
        s64 tv64;
    	#if BITS_PER_LONG != 64 && !defined(CONFIG_KTIME_SCALAR)
    	struct {
    	# ifdef __BIG_ENDIAN
    	s32 sec, nsec;
    	# else
    	s32 nsec, sec;
    	# endif
    	} tv; 
    	#endif	
    };
   

ktime用于保存hrtimer的定时时间，从定义中可以看出其完美高效的支持32bit/64bit系统。

2. hrtimer

    struct hrtimer {
    	struct timerqueue_node		node;
    	ktime_t				_softexpires;
    	enum hrtimer_restart		(*function)(struct hrtimer *);
    	struct hrtimer_clock_base	*base;
    	u8				state;
    	u8				is_rel;
    };
   

struct hrtimer为hrtimer的基本数据结构，其主要包括如下几部分：

• node，hrtimer最终通过node挂接到timerqueue中。
• _softexpires，表示hrtimer的定时时间，_soft表示此定时时间只是软件意义上的。
• function，表示hrtimer的超时处理函数。

主要API

1. ktime相关的API

   • ktime_t ktime_set(const long secs, const unsigned long nsecs)，通过secs和nsecs生成ktime_t
   • static inline ktime_t ns_to_ktime(u64 ns)，通过ns生成ktime_t
   • static inline ktime_t ms_to_ktime(u64 ms)，通过ms生成ktime_t

2. hrtimer_init 用于初始化一个hrtimer

    extern void hrtimer_init(struct hrtimer *timer, clockid_t which_clock, enum hrtimer_mode mode);
   
    - timer：表示hrtimer定时器
    - which_clock：表示选择系统的哪种时钟，主要包括两种：CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC，两种时钟的区别是，CLOCK_REALTIME表示绝对时间，而CLOCK_MONOTONIC表示相对时间。
    - mode：表示hrtimer的类型，主要包括两种：HRTIMER_MODE_ABS、HRTIMER_MODE_REL，前者是绝对模式，对应于CLOCK_REALTIME时钟，后者是相对模式，对应于CLOCK_MONOTONIC。
   

3. hrtimer_start用于启动一个定时器

    int hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode)
    
   - timer：表示当前的定时器
   - tim:定时时间
   - mode:与hrtimer_init中的mode一样。
   

4. hrtimer_cancle应于取消一个定时器， 并等待其执行完毕

    int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer)
   

5. hrtimer_forward_now，重新设置hrtimer的超时时间，用于实现连续定时。

     u64 hrtimer_forward_now(struct hrtimer *timer, ktime_t interval)                                                                                                                                                  
   

示例

下面是基于hrtimer的简单示例，定时器的超时时间为10ms，并且在定时器超时处理函数中，调用hrtimer_forward_now再次启动定时器。

hrtimer.c

#include 
#include 
#include 
#include 
 
MODULE_LICENSE("GPL");
                                                                                                                                                                                                                    
static struct hrtimer hr_timer;
static unsigned long interval= 10; /* unit: ms */
struct timespec uptimeLast;
 
unsigned long long diff_tv(struct timespec start, struct timespec end) 
{
    return (end.tv_sec - start.tv_sec)*1000000000 + (end.tv_nsec-start.tv_nsec);
}
 
enum hrtimer_restart my_hrtimer_callback( struct hrtimer *timer )
{
    struct timespec uptime;
 
    do_posix_clock_monotonic_gettime(&uptime);  
 
    printk(KERN_INFO"hrtimer:%9lu sec, %9lu ns, interval_delay=%lu us\n", 
            (unsigned long) uptime.tv_sec, 
            uptime.tv_nsec,
            (unsigned long)(diff_tv(uptimeLast, uptime))/1000); 
 
    uptimeLast=uptime;
 
    hrtimer_forward_now(timer, ns_to_ktime(interval));
 
    return HRTIMER_RESTART;
}
 
static int __init module_hrtimer_init( void )
{
    struct timespec uptime; 
    static ktime_t ktime;
 
    printk(KERN_INFO"HR Timer module installing\n");
 
    hrtimer_init( &hr_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL );
 
    ktime = ms_to_ktime(interval);
 
    hr_timer.function = my_hrtimer_callback;
    hrtimer_start(&hr_timer, ktime, HRTIMER_MODE_REL );
 
    do_posix_clock_monotonic_gettime(&uptime);
    uptimeLast = uptime;
 
    printk(KERN_INFO "hrtimer:%9lu sec, %9lu ns\n", 
            (unsigned long) uptime.tv_sec, uptime.tv_nsec ); 
 
    return 0;
}

static void __exit module_hrtimer_exit( void )
{
	int ret;
    ret = hrtimer_cancel( &hr_timer );
    if (ret) 
      printk("The timer was still in use...\n");
    printk("HR Timer module uninstalling.\n");
}

module_init(module_hrtimer_init);
module_exit(module_hrtimer_exit);   

Makefile文件：

#KVERS = $(shell uname -r)                                                                                                                                                                                          

# Kernel modules
obj-m += hrtimer.o

# Specify flags for the module compilation.	
EXTRA_CFLAGS=-g -O0 

build: kernel_modules

kernel_modules:
    make -C $(KVERS)/build M=$(CURDIR) modules

clean:
    make -C $(KVERS)/build M=$(CURDIR) clean