鸿蒙内核源码分析(定时器篇) | 内核最高优先级任务是谁??? | 百篇博客分析HarmonyOS源码 | v31.02

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本篇说清楚定时器的实现

读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)其余篇.

运作机制

• 软件定时器，是基于系统Tick时钟中断且由软件来模拟的定时器。当经过设定的Tick数后，会触发用户自定义的回调函数。
• 软件定时器是系统资源，在模块初始化的时候已经分配了一块连续内存。
• 软件定时器使用了系统的一个队列和一个任务资源，软件定时器的触发遵循队列规则，先进先出。定时时间短的定时器总是比定时时间长的靠近队列头，满足优先触发的准则。
• 软件定时器以Tick为基本计时单位，当创建并启动一个软件定时器时，鸿蒙会根据当前系统Tick时间及设置的定时时长确定该定时器的到期Tick时间，并将该定时器控制结构挂入计时全局链表。
• 当Tick中断到来时，在Tick中断处理函数中扫描软件定时器的计时全局链表，检查是否有定时器超时，
• 若有则将超时的定时器记录下来。Tick中断处理函数结束后，软件定时器任务（优先级为最高）被唤醒，在该任务中调用已经记录下来的定时器的回调函数。

定时器长什么样?

typedef VOID (*SWTMR_PROC_FUNC)(UINTPTR arg);//函数指针, 赋值给 SWTMR_CTRL_S->pfnHandler,回调处理
typedef struct tagSwTmrCtrl {
     //软件定时器控制块
    SortLinkList stSortList;//通过它挂到对应CPU核定时器链表上
    UINT8 ucState;      /**< Software timer state *///软件定时器的状态
    UINT8 ucMode;       /**< Software timer mode *///软件定时器的模式
    UINT8 ucOverrun;    /**< Times that a software timer repeats timing *///软件定时器重复计时的次数
    UINT16 usTimerID;   /**< Software timer ID *///软件定时器ID,唯一标识,由软件计时器池分配
    UINT32 uwCount;     /**< Times that a software timer works *///软件定时器工作的时间
    UINT32 uwInterval;  /**< Timeout interval of a periodic software timer *///周期性软件定时器的超时间隔
    UINT32 uwExpiry;    /**< Timeout interval of an one-off software timer *///一次性软件定时器的超时间隔
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    UINT32 uwCpuid;     /**< The cpu where the timer running on *///多核情况下,定时器运行的cpu
#endif
    UINTPTR uwArg;      /**< Parameter passed in when the callback function
                             that handles software timer timeout is called *///回调函数的参数
    SWTMR_PROC_FUNC pfnHandler; /**< Callback function that handles software timer timeout */	//处理软件计时器超时的回调函数
    UINT32          uwOwnerPid; /** Owner of this software timer *///软件定时器所属进程ID号
} SWTMR_CTRL_S;//变量前缀 uc:UINT8  us:UINT16 uw:UINT32

解读

• 在多CPU核情况下,定时器是跟着CPU走的,每个CPU核都维护着独立的定时任务链表,上面挂的都是CPU核要处理的定时器.

• stSortList的背后是双向链表,这对钩子在定时器创建的那一刻会钩到CPU的swtmrSortLink上去.

• pfnHandler定时器时间到了的执行函数,由外界指定.uwArg为回调函数的参数

• ucMode 为定时器模式,软件定时器提供了三类模式

  单次触发定时器，这类定时器在启动后只会触发一次定时器事件，然后定时器自动删除。
  周期触发定时器，这类定时器会周期性的触发定时器事件，直到用户手动停止定时器，否则将永远持续执行下去。
  单次触发定时器，但这类定时器超时触发后不会自动删除，需要调用定时器删除接口删除定时器。

• ucState 定时器状态.

  OS_SWTMR_STATUS_UNUSED（定时器未使用）
  系统在定时器模块初始化时，会将系统中所有定时器资源初始化成该状态。
  OS_SWTMR_STATUS_TICKING（定时器处于计数状态）
  在定时器创建后调用LOS_SwtmrStart接口启动，定时器将变成该状态，是定时器运行时的状态。
  OS_SWTMR_STATUS_CREATED（定时器创建后未启动，或已停止）
  定时器创建后，不处于计数状态时，定时器将变成该状态。

定时器分类

定时器是指从指定的时刻开始，经过一定的指定时间后触发一个事件，例如定个时间提醒晚上9点准时秒杀。定时器有硬件定时器和软件定时器之分：

• 硬件定时器是芯片本身提供的定时功能。一般是由外部晶振提供给芯片输入时钟，芯片向软件模块提供一组配置寄存器，接受控制输入，到达设定时间值后芯片中断控制器产生时钟中断。硬件定时器的精度一般很高，可以达到纳秒级别，并且是中断触发方式。

• 软件定时器是由操作系统提供的一类系统接口，它构建在硬件定时器基础之上，使系统能够提供不受数目限制的定时器服务。

鸿蒙内核提供软件实现的定时器，以时钟节拍（OS Tick）的时间长度为单位，即定时数值必须是 OS Tick 的整数倍，例如鸿蒙内核默认是10ms触发一次，那么上层软件定时器只能是 10ms，20ms，100ms 等，而不能定时为 15ms。

定时器怎么管理?

LITE_OS_SEC_BSS SWTMR_CTRL_S    *g_swtmrCBArray = NULL;     /* First address in Timer memory space *///定时器池
LITE_OS_SEC_BSS UINT8           *g_swtmrHandlerPool = NULL; /* Pool of Swtmr Handler *///用于注册软时钟的回调函数
LITE_OS_SEC_BSS LOS_DL_LIST     g_swtmrFreeList;            /* Free list of Software Timer *///空闲定时器链表

typedef struct {
     //处理软件定时器超时的回调函数的结构体
    SWTMR_PROC_FUNC handler;    /**< Callback function that handles software timer timeout  */	//处理软件定时器超时的回调函数
    UINTPTR arg;                /**< Parameter passed in when the callback function
                                    that handles software timer timeout is called */	//调用处理软件计时器超时的回调函数时传入的参数
} SwtmrHandlerItem;

解读
三个全局变量可知,定时器是通过池来管理,在初始化阶段赋值.

• g_swtmrCBArray 定时器池,初始化中一次性创建1024个定时器控制块供使用
• g_swtmrHandlerPool 回调函数池,回调函数也是统一管理的,申请了静态内存保存. 池中放的是 SwtmrHandlerItem 回调函数描述符.
• g_swtmrFreeList 空闲可供分配的定时器链表,鸿蒙的进程池,任务池,事件池都是这么处理的,没有印象的自行去 鸿蒙内核源码分析(总目录)< OSCHINA | CSDN > 翻看. g_swtmrFreeList上挂的是一个个的 SWTMR_CTRL_S
• 要搞明白 SWTMR_CTRL_S 和 SwtmrHandlerItem的关系,前者是一个定时器,后者是定时器时间到了去哪里干活.

初始化 -> OsSwtmrInit

#define LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT 1024 // 最大支持的软件定时器数
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSwtmrInit(VOID)
{
     
    UINT32 size;
    UINT16 index;
    UINT32 ret;
    SWTMR_CTRL_S *swtmr = NULL;
    UINT32 swtmrHandlePoolSize;
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
    if (cpuid == 0) {
     //确保以下代码块由一个CPU执行,g_swtmrCBArray和g_swtmrHandlerPool 是所有CPU共用的
        size = sizeof(SWTMR_CTRL_S) * LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;//申请软时钟内存大小 
        swtmr = (SWTMR_CTRL_S *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, size); /* system resident resource */ //常驻内存
        if (swtmr == NULL) {
     
            return LOS_ERRNO_SWTMR_NO_MEMORY;
        }

        (VOID)memset_s(swtmr, size, 0, size);//清0
        g_swtmrCBArray = swtmr;//软时钟
        LOS_ListInit(&g_swtmrFreeList);//初始化空闲链表
        for (index = 0; index < LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT; index++, swtmr++) {
     
            swtmr->usTimerID = index;//按顺序赋值
            LOS_ListTailInsert(&g_swtmrFreeList, &swtmr->stSortList.sortLinkNode);//通过sortLinkNode将节点挂到空闲链表 
        }
        //想要用静态内存池管理,就必须要使用LOS_MEMBOX_SIZE来计算申请的内存大小,因为需要点前缀内存承载头部信息.
        swtmrHandlePoolSize = LOS_MEMBOX_SIZE(sizeof(SwtmrHandlerItem), OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE);//计算所有注册函数内存大小
        //规划一片内存区域作为软时钟处理函数的静态内存池。
        g_swtmrHandlerPool = (UINT8 *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem1, swtmrHandlePoolSize); /* system resident resource *///常驻内存
        if (g_swtmrHandlerPool == NULL) {
     
            return LOS_ERRNO_SWTMR_NO_MEMORY;
        }

        ret = LOS_MemboxInit(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandlePoolSize, sizeof(SwtmrHandlerItem));//初始化软时钟注册池
        if (ret != LOS_OK) {
     
            return LOS_ERRNO_SWTMR_HANDLER_POOL_NO_MEM;
        }
    }
    //每个CPU都会创建一个属于自己的 OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE 的队列
    ret = LOS_QueueCreate(NULL, OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE, &g_percpu[cpuid].swtmrHandlerQueue, 0, sizeof(CHAR *));//为当前CPU core 创建软时钟队列 maxMsgSize:sizeof(CHAR *)
    if (ret != LOS_OK) {
     
        return LOS_ERRNO_SWTMR_QUEUE_CREATE_FAILED;
    }

    ret = OsSwtmrTaskCreate();//每个CPU独自创建属于自己的软时钟任务,统一处理队列
    if (ret != LOS_OK) {
     
        return LOS_ERRNO_SWTMR_TASK_CREATE_FAILED;
    }

    ret = OsSortLinkInit(&g_percpu[cpuid].swtmrSortLink);//每个CPU独自对自己软时钟链表排序初始化,为啥要排序因为每个定时器的时间不一样,鸿蒙把用时短的排在前面
    if (ret != LOS_OK) {
     
        return LOS_ERRNO_SWTMR_SORTLINK_CREATE_FAILED;
    }

    return LOS_OK;
}

代码解读:

• 每个CPU核都是独立处理定时器任务的,所以需要独自管理.OsSwtmrInit是负责初始化各CPU核定时模块功能的,注意在多CPU核时,OsSwtmrInit会被多次调用.
• cpuid == 0代表主CPU核, 它最早执行这个函数,所以g_swtmrCBArray和g_swtmrHandlerPool是共用的,系统默认最多支持 1024 个定时器和回调函数.
• 每个CPU核都创建了自己独立的 LOS_QueueCreate队列和任务OsSwtmrTaskCreate,并初始化了swtmrSortLink链表,关于链表排序可前往系列篇总目录 排序链表篇查看.

定时任务 -> 最高优先级

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSwtmrTaskCreate(VOID)
{
     
    UINT32 ret, swtmrTaskID;
    TSK_INIT_PARAM_S swtmrTask;
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();//获取当前CPU id

    (VOID)memset_s(&swtmrTask, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S), 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));//清0
    swtmrTask.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)OsSwtmrTask;//入口函数
    swtmrTask.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;//16K默认内核任务栈
    swtmrTask.pcName = "Swt_Task";//任务名称
    swtmrTask.usTaskPrio = 0;//哇塞! 逮到一个最高优先级的任务 @note_thinking 这里应该用 OS_TASK_PRIORITY_HIGHEST 表示
    swtmrTask.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;//分离模式
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    swtmrTask.usCpuAffiMask   = CPUID_TO_AFFI_MASK(cpuid);//交给当前CPU执行这个任务
#endif
    ret = LOS_TaskCreate(&swtmrTaskID, &swtmrTask);//创建任务并申请调度
    if (ret == LOS_OK) {
     
        g_percpu[cpuid].swtmrTaskID = swtmrTaskID;//全局变量记录 软时钟任务ID
        OS_TCB_FROM_TID(swtmrTaskID)->taskStatus |= OS_TASK_FLAG_SYSTEM_TASK;//告知这是一个系统任务
    }

    return ret;
}

代码解读:

• 内核为每个CPU处理单独创建任务来处理定时器, 任务即线程, 外界可理解为内核开设了一个线程跑定时器.
• 注意看任务的优先级 swtmrTask.usTaskPrio = 0; 0是最高优先级! 这并不多见! 内核会在第一时间响应软时钟任务.
• 系列篇CPU篇中讲过每个CPU都有自己的任务链表和定时器任务,g_percpu[cpuid].swtmrTaskID = swtmrTaskID; 表示创建的任务和CPU具体核进行了捆绑.从此swtmrTaskID负责这个CPU的定时器处理.
• 定时任务是一个系统任务,除此之外还有哪些是系统任务?
• 任务入口函数OsSwtmrTask ,是任务的执行体,类似于[Java 线程中的run()函数]
• usCpuAffiMask代表这个任务只能由这个CPU核来跑

队列消费者 -> OsSwtmrTask

//软时钟的入口函数,拥有任务的最高优先级 0 级!
LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsSwtmrTask(VOID)
{
     
    SwtmrHandlerItemPtr swtmrHandlePtr = NULL;
    SwtmrHandlerItem swtmrHandle;
    UINT32 ret, swtmrHandlerQueue;

    swtmrHandlerQueue = OsPercpuGet()->swtmrHandlerQueue;//获取定时器超时队列
    for (;;) {
     //死循环获取队列item,一直读干净为止
        ret = LOS_QueueRead(swtmrHandlerQueue, &swtmrHandlePtr, sizeof(CHAR *), LOS_WAIT_FOREVER);//一个一个读队列
        if ((ret == LOS_OK) && (swtmrHandlePtr != NULL)) {
     
            swtmrHandle.handler = swtmrHandlePtr->handler;//超时中断处理函数,也称回调函数
            swtmrHandle.arg = swtmrHandlePtr->arg;//回调函数的参数
            (VOID)LOS_MemboxFree(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandlePtr);//静态释放内存,注意在鸿蒙内核只有软时钟注册用到了静态内存
            if (swtmrHandle.handler != NULL) {
     
                swtmrHandle.handler(swtmrHandle.arg);//回调函数处理函数
            }
        }
    }
}

代码解读:

• OsSwtmrTask是任务的执行体,只做一件事,消费定时器回调函数队列.
• 任务在跑一个死循环,不断在读队列.关于队列的具体操作不在此处细说,系列篇中已有专门的文章讲解,可前往查看.
• 每个CPU核都有属于自己的定时器回调函数队列,里面存放的是时间到了回调函数.
• 但队列的数据怎么来呢? OsSwtmrTask只是在不断的消费队列,那生产者在哪里呢? 就是 OsSwtmrScan

队列生产者 -> OsSwtmrScan

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsSwtmrScan(VOID)//扫描定时器,如果碰到超时的,就放入超时队列
{
     
    SortLinkList *sortList = NULL;
    SWTMR_CTRL_S *swtmr = NULL;
    SwtmrHandlerItemPtr swtmrHandler = NULL;
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;
    SortLinkAttribute* swtmrSortLink = &OsPercpuGet()->swtmrSortLink;//拿到当前CPU的定时器链表

    swtmrSortLink->cursor = (swtmrSortLink->cursor + 1) & OS_TSK_SORTLINK_MASK;
    listObject = swtmrSortLink->sortLink + swtmrSortLink->cursor;
	//由于swtmr是在特定的sortlink中，所以需要很小心的处理它,但其他CPU Core仍然有机会处理它，比如停止计时器
    /*
     * it needs to be carefully coped with, since the swtmr is in specific sortlink
     * while other cores still has the chance to process it, like stop the timer.
     */
    LOS_SpinLock(&g_swtmrSpin);

    if (LOS_ListEmpty(listObject)) {
     
        LOS_SpinUnlock(&g_swtmrSpin);
        return;
    }
    sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    ROLLNUM_DEC(sortList->idxRollNum);

    while (ROLLNUM(sortList->idxRollNum) == 0) {
     
        sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
        LOS_ListDelete(&sortList->sortLinkNode);
        swtmr = LOS_DL_LIST_ENTRY(sortList, SWTMR_CTRL_S, stSortList);

        swtmrHandler = (SwtmrHandlerItemPtr)LOS_MemboxAlloc(g_swtmrHandlerPool);//取出一个可用的软时钟处理项
        if (swtmrHandler != NULL) {
     
            swtmrHandler->handler = swtmr->pfnHandler;
            swtmrHandler->arg = swtmr->uwArg;

            if (LOS_QueueWrite(OsPercpuGet()->swtmrHandlerQueue, swtmrHandler, sizeof(CHAR *), LOS_NO_WAIT)) {
     
                (VOID)LOS_MemboxFree(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandler);
            }
        }

        if (swtmr->ucMode == LOS_SWTMR_MODE_ONCE) {
     
            OsSwtmrDelete(swtmr);

            if (swtmr->usTimerID < (OS_SWTMR_MAX_TIMERID - LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT)) {
     
                swtmr->usTimerID += LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;
            } else {
     
                swtmr->usTimerID %= LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;
            }
        } else if (swtmr->ucMode == LOS_SWTMR_MODE_NO_SELFDELETE) {
     
            swtmr->ucState = OS_SWTMR_STATUS_CREATED;
        } else {
     
            swtmr->ucOverrun++;
            OsSwtmrStart(swtmr);
        }

        if (LOS_ListEmpty(listObject)) {
     
            break;
        }

        sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    }

    LOS_SpinUnlock(&g_swtmrSpin);
}

代码解读:

• OsSwtmrScan 函数是在系统时钟处理函数 OsTickHandler 中调用的,它就干一件事,不停的比较定时器是否超时
• 一旦超时就把定时器的回调函数扔到队列中,让 OsSwtmrTask去消费.

总结

• 定时器池 g_swtmrCBArray 存储内核所有的定时器,默认1024个,各CPU共享这个池

• 定时器响应函数池g_swtmrHandlerPool 存储内核所有的定时器响应函数,默认1024个,各CPU也共享这个池

• 每个CPU核都有独立的任务(线程)来处理定时器, 这个任务叫定时任务

• 每个CPU核都有独立的响应函数队列swtmrHandlerQueue,队列中存放该核时间到了的响应函数SwtmrHandlerItem

• 定时任务的优先级最高,循环读取队列swtmrHandlerQueue, swtmrHandlerQueue中存放是定时器时间到了的响应函数.并一一回调这些响应函数.

• OsSwtmrScan负责扫描定时器的时间是否到了,到了就往队列swtmrHandlerQueue中扔.

• 定时器有多种模式,包括单次,循环.所以循环类定时器的响应函数会多次出现在swtmrHandlerQueue中.

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