Linux內核定時器開發-低精度和高精度定時器
上篇文章講解了如何正確的使用內核延時函數，在進行驅動開發時，可能會經常用到精確地延時操作。除此之外，如果要實現一個定時任務，那就需要用到定時器。作爲一項基礎功能需求，Linux內核提供了定時器相關的實現。下面就具體看一下，Linux內核所提供的定時器實現。
定時器種類
爲了適應不同的應用場景，Linux內核提供了兩種定時器：低精度和高精度定時器。低精度定時器基於硬件的週期性中斷實現，其定時週期的粒度爲1/HZms，例如，內核HZ爲1000，那麼低精度的定時器最小定時時間爲1ms；高精度定時器可以實現ns級的定時，不過，實際的定時週期粒度與CPU的主頻有關，比如，桌面級的CPU一般都是GHZ級別，那麼，其定時粒度可以達到ns級別，而對於嵌入式CPU，其主頻一般在百兆級別，那麼定時粒度就只能達到us級別了。在進行開發時，需要根據實際場景，選擇合適的定時器來實現功能。那麼，實際開發時，如何使用這兩類定時器呢？下面兩節，就來具體看一下。
低精度定時器
上文說了，低精度定時器依賴於內核時鐘中斷實現，內核中所有的此類定時器會組成一個鏈表，處理時鐘中斷時，內核會檢查定時器列表是否有到時的定時器，如果有，就會調用定時器處理函數，進行相關的處理。
這裏需要強調的是，執行此類定時器的處理函數時處於“軟中斷”上下文，軟中斷是中斷下半部處理的一種機制，“軟中斷”上下文是原子性的，不可以執行可能會引起系統調度或可能睡眠的操作，比如，kmalloc、copy_from_user、msleep、mutex_lock等等。如果在定時器處理函數中調用了上述函數，比如，msleep函數，會引其內核模塊崩潰，嚴重的會導致系統崩潰，所以，使用時切記小心！
基本數據結構
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;
};
上面是低精度定時器timer_list的數據結構，從名字就可以判斷出其基於鏈表實現，其通過entry掛載到內核的定時器哈希列表中。expires表示定時時間，注意：expires的單位爲時鐘滴答間隔，比如，你想設置一個定時週期爲10ms的定時器，那麼expires應該表示爲jiffies+msec_to_jiffies(10)；function爲定時器處理函數，data爲function的入參，flags爲定時器的一些選項，一般不需要配置。
可以看到，定時器的數據結構十分的簡單，基本上沒有什麼難理解的地方。下面主要看一下，如何使用該定時器。
主要API
要想在內核中使用timer_list定時器，一般需要以下幾個步驟：
-
聲明一個定時器，例如，struct timer_list timer;
-
初始化定義定時器，初始化定時器有幾種方式：
- #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）
-
增加定時器， add_timer用於將定時器添加到內核定時器鏈表中，至此，定時器開始工作。timer_list，爲單次觸發的定時器，如果想連續執行定時任務，那麼需要再定時處理函數的末尾再次執行add_timer，以便再次激活定時器。add_timer函數原型如下：
extern void add_timer(struct timer_list *timer); -
刪除定時器，del_timer用於將定時器從內核定時器鏈表中立刻去除，不管是否正在處理該定時器。del_timer_sync()，是del_timer的同步版本，其會等待該定時器被處理完畢，注意，該函數可能會導致發生系統調度，所以其不能用在原子上下文中，比如，中斷上下文。del_timer函數原型如下：
extern int del_timer(struct timer_list * timer); -
修改定時器，mod_timer可以修改定時器的超時時間，其函數原型如下：
mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)- timer，表示當前被修改的定時器
- expires，基於jiffiesd新的超時時間
對於已經激活的定時器（未激活時，mod_timer會將其激活），修改超時時間，使用mod_timer十分高效的，其相當於下面的操作：
del_timer(timer); timer->expires = expires; add_timer(timer);
這裏需要注意的是，如果系統中有多個用戶同步的使用同一個已激活的定時器（未加鎖進行串行化），那麼使用mod_timer是唯一可以安全的修改定時器的方法，因爲mod_timer對於定時器的超時時間的修改是原子性的。
定時器使用模板
好了，實際開發時，知道上面的API使用方式，完全可以應付90%的低速定時器使用場景。下面說一下此類定時器的使用時的具體模式，請看代碼。
lrtimer.c文件：
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/time.h>
static struct timer_list timer;
static unsigned long data = 10;
/*
* @breif:定時器處理函數
*
* @func:
*
* @param: data爲setup_timer時傳入的data參數
*
* @return:
*
*/
static void timer_cb(unsigned long data)
{
printk("data = %lu.\n", data);
mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10)); /*step3:重新激活定時器*/
}
static int __init module_lrtimer_init( void )
{
printk("low resolution timer init.\n");
setup_timer(&timer, timer_cb, data); /*step1:定義並初始化定時器*/
mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10/*ms*/));/*step2:修改定時器超時時間，並激活定時器*/
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
高精度定時器
上文看到低精度定時器的分辨率嚴重依賴內核的時鐘中斷，如果HZ爲1000，那麼其分辨率也僅僅爲1ms，如果想要使用更高分辨率的定時器，那隻能求助於hrtimer了。Linux內核在2005年開始在內核中增加hrtimer的支持，其基本特性如下：
- 高精度，定時的分辨率爲1ns(ps:實際的分辨率依賴於CPU時鐘的頻率，嵌入式系統的分辨率在us級別），其時鐘源來自於CPU的硬件clock。
- 與timer_list不同，與jiffies沒有任何關係，所有內核邏輯都工作在64-bit ns級分辨率之上。
- 支持多種平臺，i386, x86_64, ARM, PPC, PPC64, IA64。
hrtimer的應用也十分的廣泛，依賴於posix-timers的用戶空間程序，內核中需要高分辨率的驅動程序（多媒體驅動程序）等。
檢查是否支持hrtimer
在使用hrtimer之前，需要確認當前內核是否支持，檢測是否支持的方式有兩種：
-
對於自行編譯的內核，可以檢測內核的配置文件是否打開了CONFIG_HIGH_RES_TIMERS選項。
# # 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 -
對於現存的內核，可以通過查看/proc/timer_list的信息，來確定是否支持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表示當前內核是支持hrtimer的。
基本數據結構
-
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用於保存hrtimer的定時時間，從定義中可以看出其完美高效的支持32bit/64bit系統。
-
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爲hrtimer的基本數據結構，其主要包括如下幾部分：
- node，hrtimer最終通過node掛接到timerqueue中。
- _softexpires，表示hrtimer的定時時間，_soft表示此定時時間只是軟件意義上的。
- function，表示hrtimer的超時處理函數。
主要API
-
ktime相關的API
- ktime_t ktime_set(const long secs, const unsigned long nsecs)，通過secs和nsecs生成ktime_t
- static inline ktime_t ns_to_ktime(u64 ns)，通過ns生成ktime_t
- static inline ktime_t ms_to_ktime(u64 ms)，通過ms生成ktime_t
-
hrtimer_init 用於初始化一個hrtimer
extern void hrtimer_init(struct hrtimer *timer, clockid_t which_clock, enum hrtimer_mode mode); - timer：表示hrtimer定時器 - which_clock：表示選擇系統的哪種時鐘，主要包括兩種：CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC，兩種時鐘的區別是，CLOCK_REALTIME表示絕對時間，而CLOCK_MONOTONIC表示相對時間。 - mode：表示hrtimer的類型，主要包括兩種：HRTIMER_MODE_ABS、HRTIMER_MODE_REL，前者是絕對模式，對應於CLOCK_REALTIME時鐘，後者是相對模式，對應於CLOCK_MONOTONIC。 -
hrtimer_start用於啓動一個定時器
int hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode) - timer：表示當前的定時器 - tim:定時時間 - mode:與hrtimer_init中的mode一樣。 -
hrtimer_cancle應於取消一個定時器， 並等待其執行完畢
int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer) -
hrtimer_forward_now，重新設置hrtimer的超時時間，用於實現連續定時。
u64 hrtimer_forward_now(struct hrtimer *timer, ktime_t interval)
示例
下面是基於hrtimer的簡單示例，定時器的超時時間爲10ms，並且在定時器超時處理函數中，調用hrtimer_forward_now再次啓動定時器。
hrtimer.c
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/hrtimer.h>
#include <linux/ktime.h>
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