高精度定时器

二、相关的接口代码

定时器初始化之后,进行设定定时器的到期时间,并启动定时器,函数声明代码hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode),timer代表将要被添加的定时器,tim代表到期时间,mode代表定时器模式。如果启动成功,则返回0,否则返回1。

如果要取消一个设置好的定时器,可以使用int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer)int hrtimer_try_to_cancel(struct hrtimer *timer),这两个函数的区别是,后者提供了额外的返回值-1,如果定时器当前正在执行因而无法停止,则返回-1.在这种情况下,hrtimer_cancel会一直等处理程序执行完毕。另外,如果定时器处于未激活状态,两个函数的返回值都是0,如果处于激活状态(即状态为HRTIMER_STATE_INACTIVE或者HRTIMER_STATE_ENQUEUED),二者都返回1(读者务必注意,在2.6.X版本的源代码中,处于激活状态的两个常数是HRTIMER_STATE_PENDING或者HRTIMER_STATE_ENQUEUED,无非改了模样了,这个注意一下就好)。

如果要重启一个取消的定时器,可以使用static inline int hrtimer_restart(struct hrtimer *timer)

上面讲的几个函数应该是最基本的,也没什么大的讲头,下面的函数才是高精度定时器的精彩之处,也就四高精度定时器的到期机制和回调函数的运行方式,运用红黑树的方法既节省资源又提高效率。

在讲精彩之处之前,首先要跟读者说一下几个补充知识,其实前面我们也已经提到了,无非这里重复和补充一下:

? 高精度定时器按照时间在一棵红黑树上排序。

? 他们独立于周期时钟,采用纳秒时间戳而非jiffies的时间规格。

? This patch introduces a new subsystem for high-resolution kernel timers.这句话里的patch这个单词有点意思,他是说高精度定时器作为一个补丁包被安装到系统里的,在2.6.16之前是没有这个概念的。

? 高精度定时器的框架在编译的时候是在内核里,但是如果没有配置高精度定时器,那么高精度定时器是按照普通的定时器来运行。

? 最后一点,高精度定时器是采用红黑树算法实现的,而普通的定时器是采用时间轮循算法实现的.

根据上面的几点,我们可以知道高精度定时器框架总是有一部分会编译到内核中去的,即使禁止了对高分辨率定时器的支持。在这种情况下,高分辨率定时器的到期是有一个低分辨率时钟驱动的。这避免了代码复制,因为高分辨率定时器的用户,在没有高分辨率计时能力的系统上,无需对时间相关代码提供一个额外的版本。这种情况下,仍然会采用高分辨率框架,但只是以低分辨率运行。即使高分辨率定时器支持已经编译到内核中,但在启动时只提供了低分辨率计时功能,这与上述情况是相同的。因此我们在这里讲的高分辨率定时器,要分成两种情况,一种是高分辨率模式下的高分辨率定时器,另一种是高分辨率模式下的低分辨率定时器。

前面我们讲了定时器的初始化和打开,下面讲定时器中断相关,这里我们只讲在高分辨率模式下的hrtimer的工作情况。

首先我们假定一个高分辨率时钟已经设置好而且正在运行,而向高分辨率模式的迁移已经完全完成,那么接下来,一般会发生以下情形:负责高分辨率定时器的时钟事件设备引发中断,调用hrtimer_interrupt(struct clock_event_device *dev)作为事件处理程序,该函数负责选中所有到期的定时器,然后直接执行中断程序,当然也可能将其转移到过期链表中(如果他们可以在软中断上下文执行的话——这一段接下来会说)。执行中断程序后,接下来重新对硬件进行编程,说白了有点类似于单片机的清除中断标志,当然这里还做了很多的事情,不光是清楚中断标志,还包括对硬件的重新编程和初始化,使得在下一个待决定时器到期时可以引发中断,然后将引发static void run_hrtimer_softirq(struct softirq_action *h)处理到期链表上所有定时器的中断函数。下面讨论一下相关的代码的特性和机制。首先考虑的是hrtimer_interrupt函数,下面贴上它的源代码(务必注意这里的代码版本是以Linux3.2.12为准):

void hrtimer_interrupt(struct clock_event_device *dev)

{

struct hrtimer_cpu_base *cpu_base = &__get_cpu_var(hrtimer_bases);

ktime_t expires_next, now, entry_time, delta;

int i, retries = 0;

BUG_ON(!cpu_base->hres_active);

cpu_base->nr_events++;

dev->next_event.tv64 = KTIME_MAX;

entry_time = now = ktime_get();

retry:

expires_next.tv64 = KTIME_MAX;

raw_spin_lock(&cpu_base->lock);

cpu_base->expires_next.tv64 = KTIME_MAX;

for (i = 0; i < HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES; i++) {

struct hrtimer_clock_base *base;

struct timerqueue_node *node;

ktime_t basenow;

if (!(cpu_base->active_bases & (1 << i)))

continue;

base = cpu_base->clock_base + i;

basenow = ktime_add(now, base->offset);

while ((node = timerqueue_getnext(&base->active))) {

struct hrtimer *timer;

timer = container_of(node, struct hrtimer, node);

if (basenow.tv64 < hrtimer_get_softexpires_tv64(timer)) {

ktime_t expires;

expires = ktime_sub(hrtimer_get_expires(timer),

base->offset);

if (expires.tv64 < expires_next.tv64)

expires_next = expires;

break;

}

__run_hrtimer(timer, &basenow);

}

}

cpu_base->expires_next = expires_next;

raw_spin_unlock(&cpu_base->lock);

if (expires_next.tv64 == KTIME_MAX ||

!tick_program_event(expires_next, 0)) {

cpu_base->hang_detected = 0;

return;

}

now = ktime_get();

cpu_base->nr_retries++;

if (++retries < 3)

goto retry;

cpu_base->nr_hangs++;

cpu_base->hang_detected = 1;

delta = ktime_sub(now, entry_time);

if (delta.tv64 > cpu_base->max_hang_time.tv64)

cpu_base->max_hang_time = delta;

if (delta.tv64 > 100 * NSEC_PER_MSEC)

expires_next = ktime_add_ns(now, 100 * NSEC_PER_MSEC);

else

expires_next = ktime_add(now, delta);

tick_program_event(expires_next, 1);

printk_once(KERN_WARNING "hrtimer: interrupt took %llu ns\n",

ktime_to_ns(delta));

}

话说有点长啊……把它分成几部分来看,首先进行的是一些必要的初始化配置:

struct hrtimer_cpu_base *cpu_base = &__get_cpu_var(hrtimer_bases);

ktime_t expires_next, now, entry_time, delta;

int i, retries = 0;

BUG_ON(!cpu_base->hres_active);

cpu_base->nr_events++;

dev->next_event.tv64 = KTIME_MAX;

entry_time = now = ktime_get();

retry:

expires_next.tv64 = KTIME_MAX;

raw_spin_lock(&cpu_base->lock);

以上几行程序就是用来初始化的,接下来,其到期时间保存在expires_next中。最初将该变量设置为KTIME_MAX,是表明没有下一个定时器。函数的主要工作是遍历所有的时基(两种时钟都遍历),代码如下:

for (i = 0; i < HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES; i++) {

struck hrtimer_clock_base *base;

struct timerqueue_node *node;

ktime_t basenow;

if (!(cpu_base->active_bases & (1 << i)))

continue;

base = cpu_base->clock_base + i;

basenow = ktime_add(now, base->offset);

上面那段代码没什么亮点吧,最后一句basenow就是表示当前时间,base->offset仅在已经重新调整了实时时钟的时候是非零,其他的时候不会影响到单调时钟基础。从base->first开始,即可以获得红黑树中到期的结点,代码如下:

while ((node = timerqueue_getnext(&base->active))) {

struct hrtimer *timer;

timer = container_of(node, struct hrtimer, node);

if (basenow.tv64 < hrtimer_get_softexpires_tv64(timer)) {

ktime_t expires;

expires = ktime_sub(hrtimer_get_expires(timer),

base->offset);

if (expires.tv64 < expires_next.tv64)

expires_next = expires;

break;

}

__run_hrtimer(timer, &basenow);

}

这里面涉及到另一个东西——红黑树,其实在之前我们已经说了,高精度定时器之所以精度高,就是因为定时器引入了二叉树算法,确切点说是红黑树算法,红黑树算饭的算法的源代码文件及位置如下:

Rbtree.c (linux-3.2.12\lib)

Rbtree.h (linux-3.2.12\include\linux)

Rbtree.txt (linux-3.2.12\documentation)

在这里不细细讲解红黑树,只是简单的提一下相关的性质吧:

l 每个结点或是红的或是黑的;

l 根节点是黑的;

l 每个叶子节点(NIL)是黑的;

l 如果一个结点是红的,则他的两个儿子都是黑的;

l 对于每个结点,从该结点到其子孙节点的结点的所有路径上包含相同数目的黑结点。

一个二叉查找树,如果符合上述特点,那么他就是红黑树。说的太玄乎了……其实引入红黑树的目的就是让计时更加精确而已,这里我们只关心以下几个结构体:

struct rb_root

{

struct rb_node *rb_node;

};

struct rb_node

{

unsigned long rb_parent_color;

#define RB_RED 0

#define RB_BLACK 1

struct rb_node *rb_right;

struct rb_node *rb_left;

} __attribute__((aligned(sizeof(long))));

可能有人会诧异,就这俩?!我的答案是:嗯,就这俩。struct rb_root定义树的根,struct rb_node定义树的结点,然后再就是几个常用的API函数,这里就不细细说了,毕竟红黑树涉及的东西太多了。

高精度定时器之所以引入红黑树,就是为了更加精确,这个说起来可能很难理解,我们先说说二叉查找树,二叉查找树有个性质,左孩子的关键字≤父结点≤右孩子的关键字,这样的规定就大大加快了查找的效率,降低了算法的复杂度,同样的,在二叉查找树上再加上一些规定,可以将查找效率更大的提高,这样,可以更加精确的计时,这是高精度定时器引入红黑树的核心思想。

关于红黑树,就说这么些,继续说高精度定时器。

如果下一个定时器到期时间在未来,那么可以停止处理,离开while循环。但需要记住该到期时间,以便在稍后对时钟事件设备重新编程。

如果当前的定时器已经到期,那么在允许在软中断上下文执行处理程序的情况下,会将该定时器移动到回调链表。continue确保了处理代码转向下一个到期的候选定时器;如果不允许在软中断上下文执行定时器的处理程序,那么将直接在硬件中断上下文中执行定时器回调函数。

回调处理程序通过timer->(timer)来执行(原型在linux-3.2.12\include\linux\ Hrtimer.h中,注意这个大的for循环里面有struct hrtimer *timer;这一句)。如果处理函数返回HRTIMER_RESTART,请求重启定时器,那么通过enqueue_hrtimer来完成该请求。在处理程序已经执行后,可以清除HRTIMER_STATE_CALLBACK标志。在已经选择了所有时钟基础的待决定时器之后,内核需要对时钟事件设备重新编程,以便在下一个定时器到期时依法中断。另外,我们前面说的,中断引发多了,不能同时处理的,就挂到连边上等待,处理完这个,再从链表上弄些一个来处理,直到链表为空。

最后还需要一个步骤,就是引发软中断执行待决定时器的回调函数,该软中断的处理程序是:

static void run_hrtimer_softirq(struct softirq_action *h)

{

hrtimer_peek_ahead_timers();

}

从本质上来看,该函数将遍历所有待决定的链表,hrtimer_peek_ahead_timers();代码如下:

void hrtimer_peek_ahead_timers(void)

{

unsigned long flags;

local_irq_save(flags);

__hrtimer_peek_ahead_timers();

local_irq_restore(flags);

}

hrtimer_peek_ahead_timers()函数的注释里写的很清楚,英文翻译如下:

hrtimer_peek_ahead_timers——run soft-expired timers now现在运行软中断执行待决定时期

hrtimer_peek_ahead_timers会监视目前的cpu的定时器队列,检查是否有任何过期的软中断的定时器。如有此类定时器存在,他们立即运行,然后从定时器队列移除。

移除定时器的函数为remove_hrtimer(struct hrtimer *timer, struct hrtimer_clock_base *base)

大致上,到此已经讲完了了高精度定时器在高精度模式下的整个使用过程。

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