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)和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);
}
在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。