linux时间子系统（五）

3 定时器

  Linux中定时器分两种，一种是timeout类型，另外一种是timer类型。timeout类型的定时器一般用于检测各类错误条件，例如用于检测网卡发收数据包是否会超时，IO设备的读写是否会超时的定时器等。使用timeout类型的定时器每每不关心超时处理，所以超时精确与否，并不重要。这类定时器是基于time wheel机制实现的。timer类型的定时器与timeout类型的定时器正好相反，使用timer类型的定时器每每要求在精确的时钟条件下完成特定的事件。timer类型的定时器是基于红黑树实现的。

  Linux须要进行时钟管理，离不开底层的硬件支持。在早期的Linux内核中，经过8253芯片提供的PIT来提供时钟，可是PIT的频率很低，只能提供最多1ms的时钟精度，因为PIT触发的中断速度太慢，会致使很大的时延，对于像音视频这类对时间精度要求很高的应用并不足够，会极大的影响用户体验。随着硬件平台的不断发展，陆续出现了TSC，HPET，ACPI PM Timer，CPU Local APIC Timer等精度更高的时钟，内核为了可使用更高精度的定时器，开发出了基于rbtree的hrtimer子系统。

3.1 time wheel 

  在Linux 2.6.16以前，内核一导致用一种被称为time wheel的机制来管理定时器。这就是内核一直采用的基于HZ的定时器机制。

  为了不竞争，内核为每一个cpu定义了一个tvec_base结构指针，用来保存定时器。

3.1.1 tvec_base结构

struct tvec_base {

        spinlock_t lock;

        struct timer_list *running_timer;

        wait_queue_head_t wait_for_running_timer;

        unsigned long timer_jiffies;

        unsigned long next_timer;

        struct tvec_root tv1;

        struct tvec tv2;      

        struct tvec tv3;

        struct tvec tv4;

        struct tvec tv5;

} ____cacheline_aligned;  

  running_timer,该字段指向当前cpu正在处理的定时器所对应的timer_list结构。

  timer_jiffies，该字段表示当前CPU定时器所经历过的jiffies数。大多数状况下，该数和jiffies计数值相等，若是cpu的idle状态连续持续了多个jiffies时，当退出idle状态时，jiffies计数值就会大于该字段，在接下来的tick中断后，定时器系统会让该字段等于jiffies值。

  next_timer,该字段指向该CPU下一个即将到期的定时器。

  tv1 -- tv5,这5个字段用于对定时器进行分组。实际上，tv1-tv5都是一个链表数组，其中tv1的数组大小为TVR_SIZE,tv2-tv5的大小为TVN_SIZE，根据CONFIG_BASE_SMALL配置项不一样，他们有不一样的大小。默认状况下，CONFIG_BASE_SMALL未使能，TVR_SIZE=256,TVN_SIZE=64。若系统内存不足，则可使能CONFIG_BASE_SMALL，此时TVR_SIZE=64,TVN_SIZE=16。

3.1.2 time wheel机制

  time wheel机制的工做原理相似于水表的工做原理。假定没有使能CONFIG_BASE_SMALL，此时tv1-tv5这5个链表数组的大小分别是256，64，64，64，64。因为tv1中的定时器会被最早处理而tv5中的定时器会被最后处理，咱们能够认为tv1-tv5分别占据一个32位数的不一样比特位，其中tv1占据最低的8位，tv2占据紧接着的6为，tv5占据最后的6位。

  当注册一个定时器时，咱们能够获取定时器到期时间和所属cpu的tvec_base结构中timer_jiffies字段的差值，记为idx。以后比较idx与1<<8-1,1<<14-1, 1<<20-1, 1<<26-1, 1<<32-1的值，肯定定时器应该存放的链表数组。假设idx=4，则存放到tv1数组中。假定idx=500，则存放到tv2数组中。

  当肯定了链表数组后，接着要肯定把该定时器放入数组的哪个链表中。若是idx的值小于256，则要被放入tv1中，因此能够简单的使用定时器到期时间timer_list.expires的低8位做为数组下标索引，放入tv1相应的链表中便可。若是idx的值在256-16383之间，则须要把定时器放入tv2链表数组中，因此可使用定时器到期时间timer_list.expires的8-14位做为数组的下标索引便可。tv3-tv5同理，即放入(timer_list.expires << (TVN_SIZE + n*TVR_SIZE)) & (n?TVR_MASK:TVN_MASK)做为下标索引的相应链表便可。

    static void internal_add_timer(struct tvec_base *base, struct timer_list *timer)

{

        unsigned long expires = timer->expires;

        unsigned long idx = expires - base->timer_jiffies;

        struct list_head *vec;

 

        if (idx < TVR_SIZE) {

                int i = expires & TVR_MASK;

                vec = base->tv1.vec + i;

        } else if (idx < 1 << (TVR_BITS + TVN_BITS)) {

                int i = (expires >> TVR_BITS) & TVN_MASK;

                vec = base->tv2.vec + i;

        } else if (idx < 1 << (TVR_BITS + 2 * TVN_BITS)) {

                int i = (expires >> (TVR_BITS + TVN_BITS)) & TVN_MASK;

                vec = base->tv3.vec + i;

        } else if (idx < 1 << (TVR_BITS + 3 * TVN_BITS)) {

                int i = (expires >> (TVR_BITS + 2 * TVN_BITS)) & TVN_MASK;

                vec = base->tv4.vec + i;

        } else if ((signed long) idx < 0) {

                /*

                 * Can happen if you add a timer with expires == jiffies,

                 * or you set a timer to go off in the past

                 */

                vec = base->tv1.vec + (base->timer_jiffies & TVR_MASK);

        } else {

                int i;

                /* If the timeout is larger than 0xffffffff on 64-bit

                 * architectures then we use the maximum timeout:

                 */

                if (idx > 0xffffffffUL) {

                        idx = 0xffffffffUL;

                        expires = idx + base->timer_jiffies;

                }

                i = (expires >> (TVR_BITS + 3 * TVN_BITS)) & TVN_MASK;

                vec = base->tv5.vec + i;

        }

        /*

         * Timers are FIFO:

         */

        list_add_tail(&timer->entry, vec);

}

   定时器的添加，就是首先计算定时器与所属cpu的tvec_base->timer_jiffies的差值，再根据idx的值和定时器的到期时间将定时器放入tv1-tv5链表数组的某一链表中。