Linux内核设计与实现之定时器和时间管理

pulbieup · 发表于 2020-12-24 15:44

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本帖最后由 pulbieup 于 2020-12-24 15:55 编辑

系统中有很多与时间相关的程序（比如定期执行的任务，某一时间执行的任务，推迟一段时间执行的任务），因此，时间的管理对于linux来说非常重要。

主要内容：

系统时间
定时器
定时器相关概念
定时器执行流程
实现程序延迟的方法
定时器和延迟的例子
% n) ]0 ]" I7 o* K" S

1. 系统时间

系统中管理的时间有2种：实际时间和定时器。

1.1 实际时间

实际时间就是现实中钟表上显示的时间，其实内核中并不常用这个时间，主要是用户空间的程序有时需要获取当前时间，

所以内核中也管理着这个时间。

实际时间的获取是在开机后，内核初始化时从RTC读取的。

内核读取这个时间后就将其放入内核中的 xtime 变量中，并且在系统的运行中不断更新这个值。

注：RTC就是实时时钟的缩写，它是用来存放系统时间的设备。一般和BIOS一样，由主板上的电池供电的，所以即使关机也可将时间保存。

实际时间存放的变量 xtime 在文件 kernel/time/timekeeping.c中。

/* 按照16位对齐，其实就是2个long型的数据 */
struct timespec xtime __attribute__ ((aligned (16)));
/* timespec结构体的定义如下，参考 <linux/time.h> */
struct timespec {
__kernel_time_t tv_sec; /* seconds */
long tv_nsec; /* nanoseconds */
};
/* _kernel_time_t 定义如下 */
typedef long __kernel_time_t;
% d9 y$ `: a% I2 Q

系统读写 xtime 时用的就是顺序锁。

/* 写入 xtime 参考 do_sometimeofday 方法 */
int do_settimeofday(struct timespec *tv)
{
/* 省略。。。。 */
write_seqlock_irqsave(&xtime_lock, flags); /* 获取写锁 */
/* 更新 xtime */
write_sequnlock_irqrestore(&xtime_lock, flags); /* 释放写锁 */
/* 省略。。。。 */
return 0;
}
void getnstimeofday(struct timespec *ts)
/* 读取 xtime 参考 do_gettimeofday 方法 */
void do_gettimeofday(struct timeval *tv)
{
struct timespec now;
getnstimeofday(&now); /* 就是在这个方法中获取读锁，并读取 xtime */
tv->tv_sec = now.tv_sec;
tv->tv_usec = now.tv_nsec/1000;
}
{
/* 省略。。。。 */
/* 顺序锁中读锁来循环获取 xtime，直至读取过程中 xtime 没有被改变过 */
do {
seq = read_seqbegin(&xtime_lock);
*ts = xtime;
nsecs = timekeeping_get_ns();
/* If arch requires, add in gettimeoffset() */
nsecs += arch_gettimeoffset();
} while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));
/* 省略。。。。 */
}
! q5 @1 n5 D, X9 ?7 F9 a' m3 @! q$ Q- E

上述场景中，写锁必须要优先于读锁(因为 xtime 必须及时更新)，而且写锁的使用者很少(一般只有系统定期更新xtime的线程需要持有这个锁)。

这正是顺序锁的应用场景。

1.2 定时器

定时器是内核中主要使用的时间管理方法，通过定时器，可以有效的调度程序的执行。

动态定时器是内核中使用比较多的定时器，下面重点讨论的也是动态定时器。

2. 定时器

内核中的定时器有2种，静态定时器和动态定时器。

静态定时器一般执行了一些周期性的固定工作：

更新系统运行时间
更新实际时间
在SMP系统上，平衡各个处理器上的运行队列
检查当前进程是否用尽了自己的时间片，如果用尽，需要重新调度。
更新资源消耗和处理器时间统计值5 K2 G q5 u% V5 i

动态定时器顾名思义，是在需要时（一般是推迟程序执行）动态创建的定时器，使用后销毁（一般都是只用一次）。

一般我们在内核代码中使用的定时器基本都是动态定时器，下面重点讨论动态定时器相关的概念和使用方法。

3. 定时器相关概念

定时器的使用中，下面3个概念非常重要：

HZ
jiffies
时间中断处理程序
& P4 q# x6 S j- x3 D1 f- H

3.1 HZ

节拍率(HZ)是时钟中断的频率，表示的一秒内时钟中断的次数。

比如 HZ=100 表示一秒内触发100次时钟中断程序。

HZ的值一般与体系结构有关，x86 体系结构一般定义为 100，参考文件 include/asm-generic/param.h

HZ值的大小的设置过程其实就是平衡精度和性能的过程，并不是HZ值越高越好。

HZ值	优势	劣势
高HZ	时钟中断程序运行的更加频繁，依赖时间执行的程序更加精确， # j3 o P8 u/ ?9 G3 O对资源消耗和系统运行时间的统计更加精确。	时钟中断执行的频繁，增加系统负担 / ~: {7 w1 r# y: T5 [( T+ E) I: K 时钟中断占用的CPU时间过多

此外，有一点需要注意，内核中使用的HZ可能和用户空间中定义的HZ值不一致，为了避免用户空间取得错误的时间，

内核中也定义了 USER_HZ，即用户空间使用的HZ值。

一般来说，USER_HZ 和 HZ 都是相差整数倍，内核中通过函数 jiffies_to_clock_t 来将内核来将内核中的 jiffies转为用户空间 jiffies

/* 参见文件： kernel/time.c *
//*
* Convert jiffies/jiffies_64 to clock_t and back.
*/
clock_t jiffies_to_clock_t(unsigned long x)
{
#if (TICK_NSEC % (NSEC_PER_SEC / USER_HZ)) == 0
# if HZ < USER_HZ
return x * (USER_HZ / HZ);
# else
return x / (HZ / USER_HZ);
# endif
#else
return div_u64((u64)x * TICK_NSEC, NSEC_PER_SEC / USER_HZ);
#endif
}
EXPORT_SYMBOL(jiffies_to_clock_t);
/ G. L: J. c- E5 A+ R

3.2 jiffies

jiffies用来记录自系统启动以来产生的总节拍数。比如系统启动了 N 秒，那么 jiffies就为 N×HZ

jiffies的相关定义参考头文件 <linux/jiffies.h> include/linux/jiffies.h

/* 64bit和32bit的jiffies定义如下 */
extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;4 L5 L% {4 X/ r4 S. [

使用定时器时一般都是以jiffies为单位来延迟程序执行的，比如延迟5个节拍后执行的话，执行时间就是 jiffies+5

32位的jiffies的最大值为 2^32-1，在使用时有可能会出现回绕的问题。

比如下面的代码：

unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 设置超时时间为 0.5秒 */
while (timeout < jiffies)
{
/* 还没有超时，继续执行任务 */
}
/* 执行超时后的任务 */4 c, h# ?% M( v

正常情况下，上面的代码没有问题。当jiffies接近最大值的时候，就会出现回绕问题。

由于是unsinged long类型，所以jiffies达到最大值后会变成0然后再逐渐变大，如下图所示：

所以在上述的循环代码中，会出现如下情况：

循环中第一次比较时，jiffies = J1，没有超时
循环中第二次比较时，jiffies = J2，实际已经超时了，但是由于jiffies超过的最大值后又从0开始，所以J2远远小于timeout
while循环会执行很长时间(> 2^32-1 个节拍)不会结束，几乎相当于死循环了9 A- U9 ^0 f4 J$ s( X9 F9 m

为了回避回扰的问题，可以使用<linux/jiffies.h>头文件中提供的 time_after，time_before等宏

#define time_after(a,b) \
(typecheck(unsigned long, a) && \
typecheck(unsigned long, b) && \
((long)(b) - (long)(a) < 0))
#define time_before(a,b) time_after(b,a)
#define time_after_eq(a,b) \
(typecheck(unsigned long, a) && \
typecheck(unsigned long, b) && \
((long)(a) - (long)(b) >= 0))
#define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)4 b& h, r* o: n! _$ u4 t/ B, J8 Y

上述代码的原理其实就是将 unsigned long 类型转换为 long 类型来避免回扰带来的错误，

long 类型超过最大值时变化趋势如下：

long 型的数据的回绕会出现在 2^31-1 变为 -2^32 的时候，如下图所示：

第一次比较时，jiffies = J1，没有超时
第二次比较时，jiffies = J2，一般 J2 是负数 6 L B) T) B& o& ~, f
理论上 (long)timeout - (long)J2 = 正数 - 负数 = 正数（result） * a! m8 P0 P5 k- L
但是，这个正数（result）一般会大于 2^31 - 1，所以long型的result又发生了一次回绕，变成了负数。
7 v/ x5 ?2 o: h- d" }除非timeout和J2之间的间隔 > 2^32 个节拍，result的值才会为正数(注1)。
/ D) b; E+ t" X% J

注1：result的值为正数时，必须是在result的值小于 2^31-1 的情况下，大于 2^31-1 会发生回绕。

上图中 X + Y 表示timeout 和 J2之间经过的节拍数。

result 小于 2^31-1 ，也就是 timeout - J2 < 2^31 – 1

timeout 和 -J2 表示的节拍数如上图所示。(因为J2是负数，所有-J2表示上图所示范围的值)

因为 timeout + X + Y - J2 = 2^31-1 + 2^32

所以 timeout - J2 < 2^31 - 1 时， X + Y > 2^32

也就是说，当timeout和J2之间经过至少 2^32 个节拍后，result才可能变为正数。

timeout和J2之间相差这么多节拍是不可能的(不信可以用HZ将这些节拍换算成秒就知道了。。。)

利用time_after宏就可以巧妙的避免回绕带来的超时判断问题，将之前的代码改成如下代码即可：

unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 设置超时时间为 0.5秒 */
while (time_after(jiffies, timeout))
{
/* 还没有超时，继续执行任务 */
}
/* 执行超时后的任务 */
$ ^' }: r9 A8 _0 u

3.3 时钟中断处理程序

时钟中断处理程序作为系统定时器而注册到内核中，体系结构的不同，可能时钟中断处理程序中处理的内容不同。

但是以下这些基本的工作都会执行：

获得 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
周期性的使用墙上时间更新实时时钟
调用 tick_periodic()
9 _) Y- q3 S( V+ Q

tick_periodic函数位于： kernel/time/tick-common.c 中

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);
write_sequnlock(&xtime_lock);
}
update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));
profile_tick(CPU_PROFILING);
}+ ? T+ i' g6 w% l7 _6 F

其中最重要的是 do_timer 和 update_process_times 函数。

我了解的步骤进行了简单的注释。

void do_timer(unsigned long ticks)
{
/* jiffies_64 增加指定ticks */
jiffies_64 += ticks;
/* 更新实际时间 */
update_wall_time();
/* 更新系统的平均负载值 */
calc_global_load();
}
void update_process_times(int user_tick)
{
struct task_struct *p = current;
int cpu = smp_processor_id();
/* 更新当前进程占用CPU的时间 */
account_process_tick(p, user_tick);
/* 同时触发软中断，处理所有到期的定时器 */
run_local_timers();
rcu_check_callbacks(cpu, user_tick);
printk_tick();
/* 减少当前进程的时间片数 */
scheduler_tick();
run_posix_cpu_timers(p);
}
8 t4 Z7 v+ k, e6 F

4. 定时器执行流程

这里讨论的定时器执行流程是动态定时器的执行流程。

4.1 定时器的定义

定时器在内核中用一个链表来保存的，链表的每个节点都是一个定时器。

参见头文件 <linux/timer.h>

struct timer_list {
struct list_head entry;
unsigned long expires;
void (*function)(unsigned long);
unsigned long data;
struct tvec_base *base;
#ifdef CONFIG_TIMER_STATS
void *start_site;
char start_comm[16];
int start_pid;
#endif
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};
6 W+ q$ m: g: g( H# Y/ Z7 g% \

通过加入条件编译的参数，可以追加一些调试信息。

4.2 定时器的生命周期

一个动态定时器的生命周期中，一般会经过下面的几个步骤：

1. 初始化定时器：

struct timer_list my_timer; /* 定义定时器 */
init_timer(&my_timer); /* 初始化定时器 */. l* R1 l' [% ?0 G

2. 填充定时器：

my_timer.expires = jiffies + delay; /* 定义超时的节拍数 */
my_timer.data = 0; /* 给定时器函数传入的参数 */
my_timer.function = my_function; /* 定时器超时时，执行的自定义函数 */
/* 从定时器结构体中，我们可以看出这个函数的原型应该如下所示： */
void my_function(unsigned long data);
1 s# q2 Y, ?2 t' u6 W

3. 激活定时器和修改定时器：

激活定时器之后才会被触发，否则定时器不会执行。

修改定时器主要是修改定时器的延迟时间，修改定时器后，不管原先定时器有没有被激活，都会处于激活状态。

填充定时器结构之后，可以只激活定时器，也可以只修改定时器，也可以激活定时器后再修改定时器。

所以填充定时器结构和触发定时器之间的步骤，也就是虚线框中的步骤是不确定的。

add_timer(&my_timer); /* 激活定时器 */
mod_timer(&my_timer, jiffies + new_delay); /* 修改定时器，设置新的延迟时间 *// _% x, a! b! E; n

4. 触发定时器：

每次时钟中断处理程序会检查已经激活的定时器是否超时，如果超时就执行定时器结构中的自定义函数。

5. 删除定时器：

激活和未被激活的定时器都可以被删除，已经超时的定时器会自动删除，不用特意去删除。

/*
* 删除激活的定时器时，此函数返回1
* 删除未激活的定时器时，此函数返回0
*/
del_timer(&my_timer);
- w9 ]% r! J; D

在多核处理器上用 del_timer 函数删除定时器时，可能在删除时正好另一个CPU核上的时钟中断处理程序正在执行这个定时器，于是就形成了竞争条件。

为了避免竞争条件，建议使用 del_timer_sync 函数来删除定时器。

del_timer_sync 函数会等待其他处理器上的定时器处理程序全部结束后，才删除指定的定时器。

/*
* 和del_timer 不同，del_timer_sync 不能在中断上下文中执行
*/
del_timer_sync(&my_timer);4 w% f q b" z+ ~9 o+ ~% W0 r7 j

5. 实现程序延迟的方法

内核中有个利用定时器实现延迟的函数 schedule_timeout

这个函数会将当前的任务睡眠到指定时间后唤醒，所以等待时不会占用CPU时间。

/* 将任务设置为可中断睡眠状态 */
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
/* 小睡一会儿，“s“秒后唤醒 */
schedule_timeout(s*HZ);
0 _ e# J7 e% f8 U6 p6 @$ E

查看 schedule_timeout 函数的实现方法，可以看出是如何使用定时器的。

signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout)
{
/* 定义一个定时器 */
struct timer_list timer;
unsigned long expire;
switch (timeout)
{
case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:
/*
* 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 %lx\n", timeout);
dump_stack();
current->state = TASK_RUNNING;
goto out;
}
}
/* 设置超时时间 */
expire = timeout + jiffies;
/* 初始化定时器，超时处理函数是 process_timeout，后面再补充说明一下这个函数 */
setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current);
/* 修改定时器，同时会激活定时器 */
__mod_timer(&timer, expire, false, TIMER_NOT_PINNED);
/* 将本任务睡眠，调度其他任务 */
schedule();
/* 删除定时器，其实就是 del_timer_sync 的宏
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;
}
EXPORT_SYMBOL(schedule_timeout);
/*
* 超时处理函数 process_timeout 里面只有一步操作，唤醒当前任务。
* process_timeout 的参数其实就是当前任务的地址
*/
static void process_timeout(unsigned long __data)
{
wake_up_process((struct task_struct *)__data);
}
- @% U5 n/ C( `" y8 F* T

schedule_timeout 一般用于延迟时间较长的程序。

这里的延迟时间较长是对于计算机而言的，其实也就是延迟大于 1 个节拍(jiffies)。

对于某些极其短暂的延迟，比如只有1ms，甚至1us，1ns的延迟，必须使用特殊的延迟方法。

1s = 1000ms = 1000000us = 1000000000ns (1秒=1000毫秒=1000000微秒=1000000000纳秒)

假设 HZ=100，那么 1个节拍的时间间隔是 1/100秒，大概10ms左右。

所以对于那些极其短暂的延迟，schedule_timeout 函数是无法使用的。

好在内核对于这些短暂，精确的延迟要求也提供了相应的宏。

/* 具体实现参见 include/linux/delay.h
* 以及 arch/x86/include/asm/delay.h
*/
#define mdelay(n) ...
#define udelay(n) ...
#define ndelay(n) ...
; ^7 [9 k! n4 Z# @" n, F* a, L

通过这些宏，可以简单的实现延迟，比如延迟 5ns，只需 ndelay(5); 即可。

这些短延迟的实现原理并不复杂，

首先，内核在启动时就计算出了当前处理器1秒能执行多少次循环，即 loops_per_jiffy

(loops_per_jiffy 的计算方法参见 init/main.c 文件中的 calibrate_delay 方法)。

然后算出延迟 5ns 需要循环多少次，执行那么多次空循环即可达到延迟的效果。

loops_per_jiffy 的值可以在启动信息中看到：

[root@vbox ~]# dmesg | grep delay
Calibrating delay loop (skipped), value calculated using timer frequency.. 6387.58 BogoMIPS (lpj=3193792)0 [! k$ O) Z2 A I) u# j

我的虚拟机中看到 (lpj=3193792)

6. 定时器和延迟的例子

下面的例子测试了短延迟，自定义定时器以及 schedule_timeout 的使用：

#include <linux/sched.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>
#include <asm/param.h>
#include <linux/delay.h>
#include "kn_common.h"
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
static void test_short_delay(void);
static void test_delay(void);
static void test_schedule_timeout(void);
static void my_delay_function(unsigned long);
static int testdelay_init(void)
{
printk(KERN_ALERT "HZ in current system: %dHz\n", HZ);
/* test short delay */
test_short_delay();
/* test delay */
test_delay();
/* test schedule timeout */
test_schedule_timeout();
return 0;
}
static void testdelay_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "*************************\n");
print_current_time(0);
printk(KERN_ALERT "testdelay is exited!\n");
printk(KERN_ALERT "*************************\n");
}
static void test_short_delay()
{
printk(KERN_ALERT "jiffies [b e f o r e] short delay: %lu", jiffies);
ndelay(5);
printk(KERN_ALERT "jiffies [a f t e r] short delay: %lu", jiffies);
}
static void test_delay()
{
/* 初始化定时器 */
struct timer_list my_timer;
init_timer(&my_timer);
/* 填充定时器 */
my_timer.expires = jiffies + 1*HZ; /* 2秒后超时函数执行 */
my_timer.data = jiffies;
my_timer.function = my_delay_function;
/* 激活定时器 */
add_timer(&my_timer);
}
static void my_delay_function(unsigned long data)
{
printk(KERN_ALERT "This is my delay function start......\n");
printk(KERN_ALERT "The jiffies when init timer: %lu\n", data);
printk(KERN_ALERT "The jiffies when timer is running: %lu\n", jiffies);
printk(KERN_ALERT "This is my delay function end........\n");
}
static void test_schedule_timeout()
{
printk(KERN_ALERT "This sample start at : %lu", jiffies);
/* 睡眠2秒 */
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
printk(KERN_ALERT "sleep 2s ....\n");
schedule_timeout(2*HZ);
printk(KERN_ALERT "This sample end at : %lu", jiffies);
}
module_init(testdelay_init);
module_exit(testdelay_exit);
6 `+ H2 ~7 m; [

其中用到的 kn_common.h 和 kn_common.c 参见之前的博客《Linux内核设计与实现》读书笔记（六）- 内核数据结构

Makefile如下：

# must complile on customize kernel
obj-m += mydelay.o
mydelay-objs := testdelay.o kn_common.o
#generate the path
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
#the current kernel version number
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)
#the absolute path
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/kernels/$(LINUX_KERNEL)
#complie object
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
rm -RF modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c .tmp_versions *.unsigned
#clean
clean:
rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions *.unsigned
0 ^, e( \) F# T3 z Z) N, W