Linux内核设计与实现(4)---Timers and Time Management

1.内核中时间的概念

(1)内核中有大量事件是基于时间驱动的，相对时间和绝对时间这两个概念对内核时间管理来说都至关重要。

(2)系统定时器和时钟中断处理程序是Linux系统内核管理机制中的中枢。内核必须在硬件的帮助下才能计算和管理时间，定时器以某种频率自行触发时钟中断。当中断发生时，内核就通过一种特殊的中断处理程序对其进行处理。

(3)内核可以动态创建和撤销动态定时器--- 一种用来推迟执行程序的工具。

墙上时间：就是实际时间，对用户空间的应用程序很重要，可以用来维护实际日期和时间。

系统运行时间：自系统启动以来经历的时间，对内核和用户空间都有用。

2.HZ

系统定时器频率(节拍率)，是通过静态预处理定义的。在定义，对用户空间，内核HZ几乎完全隐藏，确切的 HZ 值只能通过 /proc/interrupts 获得：=（/proc/interrupts） / （/proc/uptime） ,自开机以来系统的滴答数除以运行时间.

更高的节拍率意味着时钟产生更加频繁，中断处理程序也会执行更频繁。更高的时钟中断解析度可提高时间事件驱动时间的解析度和准确度(时钟中断执行准确度是+/-1/(2HZ))。

高HZ优势：

①内核定时器能够以更高的频率和更高的准确度运行；

②依赖定时值执行的系统调用，比如poll()和select()，能够以更高的精度运行；

③对诸如资源消耗和系统运行时间等的测量会有更精细的解析度；

④提高进程抢占的准确度；

高HZ劣势

节拍率越高，时钟中断频率越高，中断程序占用处理器时间就越多。这样不但减少了处理器工作时间，还更频繁的打乱了处理器高速缓存，增加功耗。

无节拍OS

当内核配置CONFIG_HZ时，系统根据这个选项动态调度时钟中断，这样实质性受益是省电。

3.jiffies

(1)用来记录自系统启动以来产生的节拍总数，转化为时间(jiffies/HZ)

Jiffies总是全局的unsigned long变量，在32位体系结构上，它就是32位，在HZ=100时，497天溢出。在64位体系上是64位，我们看不到溢出。通过连接,jiffies被jiffies_64覆盖(在64位机两者相同，在32位机jiffies取jiffies_64低32位)。通过函数get_jiffies_64()可以读取完整64位jiffies值。

(2)为防止溢出问题，内核提供几个宏来比较节拍计数

time_after(unknown,known)；//当jiffies超过指定known时，返回真
time_before(unknown,known)
time_after_eq(unknown,known)
time_before_eq(unknown,known)
unknown通常是jiffies,known = jiffies+HZ/2

(3)用户空间和HZ

内核定义USER_HZ给应用层，当USER_HZ小于等于HZ，且两者互为整数倍时返回给应用的时间是 return x/(HZ/USER_HZ)

内核使用函数jiffies_64_to_clock_t()将64位jiffies从HZ转换到USER_HZ

unsigned long start;
unsigned long total_time;
start = jiffies;
/* do some work ... */
total_time = jiffies - start;
printk(“That took %lu ticksn”, jiffies_to_clock_t(total_time));
printk(“That took %lu secondsn”, total_time / HZ);

4.硬时钟和定时器

(1)实时时钟（RTC）用来持久存放系统时间，系统启动时，内核读取RTC来初始化墙上时间，该时间存放在xtime变量中。

(2)系统定时器，在X86中，采用可编程中断时钟（PIT）作为时钟中断源。

5.时钟中断处理函数

分两部分：体系结构相关和体系结构无关。

（1）体系结构相关例程，作为系统定时器的中断处理函数注册到内核，主要完成以下工作：

获取xtime_lock锁，以便对访问jiffies_64和墙上时间xtime进行保护；

需要时应答或重新设置系统时钟；

周期性地使用墙上时间更新实时时钟；

调用体系无关时钟例程：tick_periodic().

（2）中断主要通过体系无关例程tick_periodic()完成更多工作

给jiffies_64变量加1；

更新资源消耗的统计值，比如当前进程所消耗的系统时间和用户时间；

执行已经到期的动态定时器；

执行sheduler_tick()函数；

更新墙上时间，该事件存放在xtime中

/*
 * Periodic tick
 */
static void tick_periodic(int cpu)
{
    if (tick_do_timer_cpu == cpu) {
        write_seqlock(&xtime_lock);

        /* Keep track of the next tick event */
        tick_next_period = ktime_add(tick_next_period, tick_period);

        do_timer(1); //操作jiffies_64，更新墙上时间，更新系统平均负载
        write_sequnlock(&xtime_lock);
    }

    update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));//更新所消耗的各种节拍数
    profile_tick(CPU_PROFILING);
}

内核对进程进行时间计数，是根据中断发生时处理器所处模式统计的，它把上个节拍全部算给了进程。这种粒度的进程统计方式是传统unix具有的，现在还没有更加精密的统计算法。

run_lock_timer(),标记一个软中断去处理所有到期定时器。

以上全部工作每1/HZ秒发生一次。

6.实际时间

当前实际时间（墙上时间）定义在文件kernel/time/timekeeping.c中

struct timespec xtime;
timespec 定义在<linux/time.h>
struct timespec {
    time_t    tv_sec;    //秒，存放自1970年1月1日(utc)以来经过的时间
    long    tv_nsec;    //自从上一秒开始结果的ns数
};
读写xtime变量需要使用xtime_lock锁，一个seqlock锁。
write_seqlock(&xtime_lock);
/* update xtime ... */
write_sequnlock(&xtime_lock);
读取xtime时也要使用read_seqbegin()和read_seqretry()
unsigned long seq;
do {
    unsigned long lost;
    seq = read_seqbegin(&xtime_lock);
    usec = timer->get_offset();
    lost = jiffies - wall_jiffies;
    if (lost)
        usec += lost * (1000000 / HZ);
    sec = xtime.tv_sec;usec += (xtime.tv_nsec / 1000);
} while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));

在用户空间取得墙上时间用gettimeofday(),其在内核中调用sys_systimeofday()实现，可以用settimtofday()来设置当前时间，它需要有CAP_SYS_TIME权能。

7.定时器

指定函数将在定时器到期时自动异步执行，执行后自动撤销。

定义在文件中

struct timer_list {
    struct list_head entry; //定时器链表的入口
    unsigned long expires; //以jiffes为单位的计时值

    void (*function)(unsigned long); //定时器处理函数
    unsigned long data; //传给处理函数的参数
    struct tvec_base *base; //定时器内部值，用户不使用
};

用户一般不操作这些结构体，而是通过内核定义好的一系列宏来处理

定义定时器：
struct timer_list my_timer;
初始化定时器：
init_timer(&my_timer);
填充定时器结构体：
my_timer.expires = jiffes+HZ;//延时1s
my_timer.data = NULL; //可以利用同一个处理器函数注册多个定时器
my_timer.function = my_function;//定时器处理函数
内核可以保证不会在超时时间到期前运行处理器函数，但是有可能会延误执行，误差是+/-半个节拍，所以定时器不能用来做硬实时任务。
激活定时器
add_timer(&my_timer);
mod_timer（&my_timer）；//激活或修改定时器，若调用时已激活，返回0，否则返回1

del_timer(&my_timer)；//删除定时器，定时器未被激活返回0，否则返回1
为了防止删除定时器时，定时器在多处理器上可能正在运行，即出现竞争条件，使用
del_timer_sync(&my_timer)；//不能在中断上下文使用

在中断处理函数中，要保护好共享数据。

定时器作为软中断在下半部上下文中执行，在run_local_timers()中调用所有到时定时器。

内核采用分组定时器方法来管理定时器，可以减少搜索超时定时器所带来的负担。

8.延迟执行

(1)忙等待

该方法用于延迟时间是节拍的整数倍，或对精确度不高时使用

unsigned long timeout = jiffies+10;//延迟10个节拍

while(time_befor(jiffes,timeout)) ;

这是最简单的延迟方法，但是延迟独占CPU，很少用。改进版是：

unsigned long delay = jiffies + 5*HZ;

while (time_befor(jiffies,delay))

cond_resched();//调度一个新程序运行，该方法有效条件是系统中存在更重要的任务要运行

因为调用了调度程序，所以不能在中断上下文使用，只能在进程上下文使用。所有延迟方法在进程上下文都使用的很好，中断处理都应该尽快的执行，最好不用延迟。

延迟不管在哪种情况下，都不应该在持有锁时或禁止中断时使用。

(2)短延迟，比节拍短，短暂又精确的延迟

定义在<linux/delay.h>和<asm/delay.h>
void udelay(unsigned long usecs);
void ndelay(unsigned long usecs);
void mdelay(unsigned long usecs);

udelay是由忙循环实现的，mdelay调用udelay实现，但是会睡眠，1ms以上的延迟就不要用udelay()，防止溢出。

BogoMIPS值记录处理器在给定时间内忙循环执行的次数，存放在loops_per_jiffy中

(3)schedule_timeout()

更理想的方案是schedule_timeout()函数，让需要延迟睡眠执行的任务睡眠到指定延迟时间耗尽再重新执行，同样，只保证延迟时间尽量接近睡眠时间，时间到期后，内核唤醒被延迟任务并将其重新放回运行队列。

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);//将任务设置为可中断睡眠状态

schedule_timeout(s*HZ); //睡眠s秒
①schedule_timeout()的实现

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

    switch (timeout)
    {
    case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT: //用来检查是否无限期睡眠
        /*
         * These two special cases are useful to be comfortable
         * in the caller. Nothing more. We could take
         * MAX_SCHEDULE_TIMEOUT from one of the negative value
         * but I' d like to return a valid offset (>=0) to allow
         * the caller to do everything it want with the retval.
         */
        schedule();
        goto out;
    default:
        /*
         * Another bit of PARANOID. Note that the retval will be
         * 0 since no piece of kernel is supposed to do a check
         * for a negative retval of schedule_timeout() (since it
         * should never happens anyway). You just have the printk()
         * that will tell you if something is gone wrong and where.
         */
        if (timeout < 0) {
            printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "
                "value %lxn", timeout);
            dump_stack();
            current->state = TASK_RUNNING;
            goto out;
        }
    }

    expire = timeout + jiffies; //设置超时时间

    setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current);//设置超时函数
    __mod_timer(&timer, expire);
    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;
}

若任务提前唤醒(比如收到信号)，那么定时器被撤销，返回剩余时间。

②设置超时时间，在等待队列上睡眠

有时，等待队列上的某个任务可能既在等待一个特定事件到来，又在等待一个特定时间到期（看谁先到），这样可以使用schedule_timeout()代替schedule().当然，需要检查被唤醒的原因(可能是信号，也可能是时间到)，然后执行相应操作。