Linux內核學習筆記八——定時器和時間管理

一 內核中的時間觀念

       內核在硬件的幫助下計算和管理時間。硬件爲內核提供一個系統定時器用以計算流逝的時間。系

 統定時器以某種頻率自行觸發，產生時鐘中斷，進入內核時鐘中斷處理程序中進行處理。

       牆上時間和系統運行時間根據時鐘間隔來計算。

利用時間中斷週期執行的工作：

       更新系統運行時間；

       更新實際時間；

       在smp系統上，均衡調度程序中各處理器上運行隊列；

       檢查當前進程是否用盡了時間片，重新進行調度；

       運行超時的動態定時器；

       更新資源消耗和處理器時間的統計值；

二 節拍率

       系統定時器的頻率；通過靜態預處理定義的——HZ；系統啓動按照HZ值對硬件進行設置。體系結構不同，HZ值也不同；HZ可變的。

　　　　//內核時間頻率

　　　　#define HZ 1000

提高節拍率中斷產生更加頻繁帶來的好處：

       提高時間驅動事件的解析度；

       提高時間驅動事件的準確度；

       內核定時器以更高的頻度和準確度；

       依賴頂上執行的系統調用poll()和select()能更高的精度運行；

       系統時間測量更精細；

       提高進程搶佔的準確度；

提高節拍率帶來的副作用：

       中斷頻率增高系統負擔增加；

       中斷處理程序佔用處理器時間增多；

       頻繁打斷處理器高速緩存；

節拍率HZ值需要在其中進行平衡。

 

三 jiffies

　　jiffies：全局變量，用來記錄自系統啓動以來產生的節拍總數。啓動時內核將該變量初始化爲0；

此後每次時鐘中斷處理程序增加該變量的值。每一秒鐘中斷次數HZ，jiffies一秒內增加HZ。系統運行時間 = jiffie/HZ.

jiffies用途：計算流逝時間和時間管理

jiffies內部表示：

              extern u64 jiffies_64;

              extern unsigned long volatile jiffies;     //位長更系統有關32/64

　　32位：497天后溢出

　　64位：……

      

//0.5秒後超時

unsigned long timeout = jiffies + HZ/2;
……

//注意jiffies值溢出迴繞用宏time_before 而非 直timeout > jiffies
if(time_before(jiffies,timeout)){

       //沒有超時
}else{

       //超時
}

 

四 硬時鐘和定時器

　　兩種設備進行計時：系統定時器和實時時鐘。

實時時鐘（RTC）：用來持久存放系統時間的設備，即便系統關閉後，靠主板上的微型電池提供電力保持系統的計時。

　　　　系統啓動內核通過讀取RTC來初始化牆上時間，改時間存放在xtime變量中。

系統定時器：內核定時機制，註冊中斷處理程序，週期性觸發中斷，響應中斷處理程序，進行處理執行以下工作：

　　l  獲得xtime_lock鎖，訪問jiffies和更新牆上時間xtime；

　　l  更新實時時鐘；

　　l  更新資源統計值：當前進程耗時，系統時間等；

　　l  執行已到期的動態定時器；

　　l  執行scheduler_tick（）

 

//中斷處理程序    
irqreturn_t timer_interrupt(int irq, void *dev)
{
    //ticks have passed
    long nticks;

    xtime_update(nticks);

    while (nticks--)
           update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));

    return IRQ_HANDLED;
}
 

void xtime_update(unsigned long ticks)
{
    //seq鎖
    write_seqlock(&xtime_lock);

    do_timer(ticks);

    write_sequnlock(&xtime_lock);
}

void do_timer(unsigned long ticks)
{
    jiffies_64 += ticks;

    //更新牆上時間 ——實際時間
    update_wall_time();

    calc_global_load(ticks);
}

 

void update_process_times(int user_tick)
{
    struct task_struct *p = current;

    //計算當前進程執行時間
    account_process_tick(p, user_tick);

    //觸發軟中斷TIMER_SOFTIRQ 超時的timer
    run_local_timers();

    //計算進程時間片
    scheduler_tick();

}

 

五 定時器

       定時器：管理內核時間的基礎，推後或執行時間執行某些代碼。

定時器數據結構：

struct timer_list {
              struct list_head entry;

              //定時值基於jiffies
              unsigned long expires;

              //定時器內部值
              struct tvec_base *base;

              //定時器處理函數
              void (*function)(unsigned long);

              //定時器處理函數參數
              unsigned long data;

              ……
       };

 

定時器使用：

    struct timer_list my_timer;

       //初始化定時器
       init_timer(&my_timer);

       ……
      
       //激活定時器
       add_timer(&my_timer);


       //刪除定時器
       del_timer(my_timer);

       ……

 

六 延遲執行

       使用定時器和下半部機制推遲執行任務。還有其他延遲執行的機制：

忙等待：

       利用節拍，精確率不高

       unsigned long delay = jiffies + 2*HZ ; //2秒 節拍整數倍才行；

       while(time_before(jiffies,delay))

              ;

短延遲：延遲時間精確到毫秒，微妙；短暫等待某個動作完成時,比時鐘節拍更短；依靠數次循環達到延遲效果。

       void udelay(unsigned long usecs)

       void mdelay(unsigned long msecs)

 

schedule_timeout()延遲：使執行的任務睡眠指定時間，達到延遲

 

signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout)
{
       struct timer_list timer;
       unsigned long expire;

       switch (timeout)
       {
      　　 case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:

              //無限期睡眠
              schedule();
              goto out;
       　　default:
              if (timeout < 0) {
                     current->state = TASK_RUNNING;
                     goto out;
              }
       }
       //超時時間
       expire = timeout + jiffies;

       //初始化一個timer定時器 參數current task
       setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current);

       __mod_timer(&timer, expire, false, TIMER_NOT_PINNED);

       schedule();

       del_singleshot_timer_sync(&timer);
 
       /* Remove the timer from the object tracker */
       destroy_timer_on_stack(&timer);
       timeout = expire - jiffies;
 
 out:
       return timeout < 0 ? 0 : timeout;
}


static void process_timeout(unsigned long __data)
{
       //喚醒被睡眠的任務
       wake_up_process((struct task_struct *)__data);
}