Linux's Heartbeat

系统的心跳无疑就是“时钟”，心跳稳定，系统才稳定，有心脏病的系统可要不得。


app最常见使用的用法：

 1 #include<stdio.h>
 2 #include<unistd.h>
 3 #include<sys/time.h>
 4 #include<signal.h>
 5 
 6 int func(void)
 7 {
 8     printf("hello timer\n");
 9     alarm(2);
10     return 0;
11 }
12 
13 
14 int main(void)
15 {
16     signal(SIGALRM, func);
17     alarm(2);
18     while(1)
19         ;
20     return 0;
21 }



app更精确的定时方式： 

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<signal.h>
  3 #include<sys/time.h>
  4 
  5 int limit = 10;
  6 
  7 int timeout_info(int signo)
  8 {
  9     if (limit == 0)
 10     {
 11         printf("time limit reached!\n");
 12         return 0;
 13     }
 14     
 15     printf("only %d sec left...\n", limit--);
 16 
 17     return 0;
 18 }
 19 
 20 
 21 
 22 int init_sigaction(void)
 23 {
 24     struct sigaction act;
 25 
 26 /*
 27  *    struct sigaction {
 28  *       __sighandler_t      sa_handler;
 29  *       unsigned long       sa_flags;
 30  *       __sigrestore_t      sa_restorer;
 31  *       sigset_t            sa_mask;    
 32  *    };
 33 */
 34 
 35 
 36     /*初始化各项*/
 37     act.sa_handler = timeout_info;
 38     act.sa_flags = 0;
 39     sigemptyset(&act.sa_mask);
 40 
 41     //sigaction(SIGPREAL,     &act, NULL);
 42     sigaction(SIGVTALRM,      &act, NULL);
 43     //sigaction(SIGPROF,      &act, NULL);
 44 
 45     return 0;
 46 }
 47 
 48 
 49  
 50 
 51 
 52 int init_timer(void)
 53 {
 54     struct itimerval val;
 55 
 56 
 57     /*
 58      *   struct itimerval
 59      *   {
 60      *       struct timeval it_interval; //时间间隔
 61      *       struct timeval it_value;    //当前时间计数
 62      *   };
 63 */
 64 
 65 
 66     /*距火箭发射(定时器工作）还有几秒*/
 67     val.it_value.tv_sec = 2;
 68     val.it_value.tv_usec = 0;
 69 
 70 
 71 
 72     /*火箭发射！（定时器工作）*/   
 73     val.it_interval.tv_sec = 1;
 74     val.it_interval.tv_usec = 0;
 75 
 76 
 77     /*linux内置的三个定时器的细微差别*/
 78     //setitimer(ITIMER_REAL,    &val, NULL);    //SIGALRM信号
 79     setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &val, NULL);      //SIGPVTPARLM信号
 80 //setitimer(ITIMER_PROF,    &val, NULL);    //SIGPROF信号
 81     
 82     /*定时发送或者采用 (while+sleep)+sigqueue 方式*/
 83 
 84 
 85     return 0;
 86 }
 87 
 88 
 89 
 90 int main(void)
 91 {
 92     init_sigaction();    //设置一个定时信号接收器
 93     init_timer();        //设置一个定时器发送定时信号
 94 
 95     printf("10 sec...\n");
 96 
 97     while(1)
 98         ;
 99 
100     return 0;
101 }



再来个简单的内核定时测试程序：

 1 #include <linux/module.h>
 2 #include <linux/init.h>
 3 #include <linux/delay.h>
 4 #include <linux/timer.h>
 5 
 6 struct timer_list my_timer;
 7 
 8 void timer_func(unsigned long args)
 9 {
10     printk("boom [%d]\n", args);
11 
12     /*  定时任务执行时可以顺便设置下一次定时
13      *  my_timer.expires = jiffies + 2*HZ;
14      *  add_timer(&my_timer);   
15 */
16 }
17 int init_test(void)
18 {
19  my_timer.expires = jiffies + 5*HZ;
20  my_timer.function = timer_func;
21  my_timer.data = 99;
22 
23  init_timer(&my_timer);  //初始化定时器
24 
25  printk("start\n");  
26  add_timer(&my_timer);   //激活定时器，也就是加入上述相应的定时链表中
27 
28  return 0;
29 }
30 
31 
32 void exit_test(void)
33 { 
34  del_timer(&my_timer);
35  printk("bye\n");  
36 }
37 
38 
39 module_init(init_test);
40 module_exit(exit_test);
41 
42 MODULE_LICENSE("GPL");
43 
44 MODULE_AUTHOR("Jesse");
45 MODULE_DESCRIPTION("this is test module");
46 MODULE_VERSION("v0.1");

 

linux非实时系统，实时性有待提高，低负荷、毫秒级以上的操作还是比较理想。先来看看这个几乎是个驱动就会涉及到的 异常常见的 结构体 timer_list。

struct timer_list {
    struct list_head entry;
    unsigned long expires;
　　
    void (*function)(unsigned long);
    unsigned long data;

    struct tvec_base *base; 　　//系统内有许多timer_list，此指针指向它们共同的管理者
#ifdef CONFIG_TIMER_STATS
    void *start_site;
    char start_comm[16];
    int start_pid;
#endif  
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
    struct lockdep_map lockdep_map; 
#endif  
};

 

来看看这个struct tvec_base。

struct tvec_base {
spinlock_t lock;
struct timer_list *running_timer;
unsigned long timer_jiffies;
unsigned long next_timer;
/*级联表*/
struct tvec_root tv1;
struct tvec tv2;
struct tvec tv3;
struct tvec tv4;
struct tvec tv5;
} ____cacheline_aligned;

 

关键就在于对struct tvec的理解。至于tvec_root，其实和tvec一摸一样。

struct tvec {
    struct list_head vec[TVN_SIZE];
};

struct tvec_root {
    struct list_head vec[TVR_SIZE];
};

 

   

有了上述的了解，开始看一些关键函数：

cascade(base, &base->tv2, (base->timer_jiffies >> 8) & 63);


static int cascade(struct tvec_base *base, struct tvec *tv, int index)
{
    /* cascade all the timers from tv up one level */
    struct timer_list *timer, *tmp;
    struct list_head tv_list;

    list_replace_init(tv->vec + index, &tv_list);

    list_for_each_entry_safe(timer, tmp, &tv_list, entry) {
        BUG_ON(tbase_get_base(timer->base) != base);
        internal_add_timer(base, timer);　　//-->
    }    

    return index;
}

 

internal_add_timer()

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) {	//idx < 256
        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);	
}

 

 

从一堆的if,if else中，基本可以看出个这样的眉目：

内核将不同时长的定时分了类，从第一个if可以看出，8个字节的为一类，也就是256种状况（0~255jiffies）。

第二类多了6位，也就是64种。以此类推。

至于那个idx > 0xffffffffUL，源于内核更多考虑的是32位构架，至于64位能表示的时长，一般人儿在一般情况下，几乎是用不到di。

最后便是，内核搞了512个链表来实现一个定时器（256个短期链表+4组64个的长期链表），占用了4kb的空间，大么？

 

 上个图比较直观：

 

这便是定时器的底层实现。多个定时器在同一条链表上，需要合理的排序，使查找更具效率。
      从cascade可以看出，目前使用时间轮方式（个人更倾向叫hash）；
      pjlib 中的定时器在内部使用数组的方式实现最小堆也是一种选择。

 

定时器又如如何计算剩余时间的呢？可以查看udelay的实现：

#define udelay(n)                           \
    (__builtin_constant_p(n) ?                  \
     ((n) > (MAX_UDELAY_MS * 1000) ? __bad_udelay() :      \
      __const_udelay((n) * ((2199023U*HZ)>>11))) :    \
     __udelay(n))

#endif /* defined(_ARM_DELAY_H) */

 __udelay()与平台相关，进入arch/arm

<arch/arm/lib/delay.S>


ENTRY(__udelay)
    ldr r2, .LC1
    mul r0, r2, r0
ENTRY(__const_udelay)               @ 0 <= r0 <= 0x7fffff06
    mov r1, #-1 
    ldr r2, .LC0
    ldr r2, [r2]        @ max = 0x01ffffff
    add r0, r0, r1, lsr #32-14
    mov r0, r0, lsr #14     @ max = 0x0001ffff
    add r2, r2, r1, lsr #32-10
    mov r2, r2, lsr #10     @ max = 0x00007fff
    mul r0, r2, r0      @ max = 2^32-1
    add r0, r0, r1, lsr #32-6
    movs    r0, r0, lsr #6
    moveq   pc, lr

    /*
     * loops = r0 * HZ * loops_per_jiffy / 1000000
     *
     * Oh, if only we had a cycle counter...
     */

    @ Delay routine

ENTRY(__delay)
    subs    r0, r0, #1
#if 0
    movls   pc, lr
    subs    r0, r0, #1
    movls   pc, lr
    subs    r0, r0, #1
    movls   pc, lr
    subs    r0, r0, #1
    movls   pc, lr
    subs    r0, r0, #1
    movls   pc, lr
    subs    r0, r0, #1
    movls   pc, lr
    subs    r0, r0, #1
    movls   pc, lr
    subs    r0, r0, #1
#endif
    bhi __delay
    mov pc, lr
ENDPROC(__udelay)

看汇编耗查克拉，以下是等价的c语言形式：

/*
 * loops = usecs * HZ * loops_per_jiffy / 1000000
 *
 * Oh, if only we had a cycle counter...
 */
void __delay(unsigned long loops)
{
    asm volatile(
    "1:    subs %0, %0, #1 \n"
    "    bhi 1b        \n"
    : /* No output */
    : "r" (loops)
    );
}
EXPORT_SYMBOL(__delay);

/*
 * 0 <= xloops <= 0x7fffff06
 * loops_per_jiffy <= 0x01ffffff (max. 3355 bogomips)
 */
void __const_udelay(unsigned long xloops)
{
    unsigned long mask = ULONG_MAX;
    unsigned long lpj = loops_per_jiffy;
    unsigned long loops;

    xloops += mask >> (32 - 14);
    xloops >>= 14;            /* max = 0x01ffffff */

    lpj += mask >> (32 - 10);
    lpj >>= 10;            /* max = 0x0001ffff */

    loops = lpj * xloops;        /* max = 0x00007fff */
    loops += mask >> (32 - 6);
    loops >>= 6;            /* max = 2^32-1 */

    if (likely(loops))
        __delay(loops);
}
EXPORT_SYMBOL(__const_udelay);

/*
 * usecs  <= 2000
 * HZ  <= 1000
 */
void __udelay(unsigned long usecs)
{
    __const_udelay(usecs * ((2199023*HZ)>>11));
}

 
最后，2.6内核由于增强了实时性，对于app也引入了POSIX 1003.1b标准的定时器。相应的在app层增加了一些POSIX接口，更好的支持多线程和实时应用程序。

总之，一堆小闹钟挂在一簇簇的条儿上，过一个time irq，调整这些条儿，同时处理些其他的系统操作，比如增加jiffies，软中断处理等。Linux的arm平台时钟精度应用一般限于微秒级，或者增加外部时钟，达到更加精确的目的，不过，目前似乎没什么必要。

 

End.

posted @ 2011-06-26 15:14  郝壹贰叁  阅读(1493)  评论(0)  编辑  收藏  举报