Linux定时器和时间管理
这部分讲Linux内核定时器。
基本概念
- 系统定时器：一种可编程硬件芯片，能以固定频率产生中断。
- 定时器中断：系统定时器固定时间周期产生的中断，其中断处理程序负责更新系统时间，执行周期性任务。
- 动态定时器：一种用来推迟执行程序的工具。内核可以动态创建、销毁动态定时器。
- 节拍率（tick rate）：系统定时器频率，系统定时器以某种频率自行触发（又称为击中（hitting）或射中（popping））时钟中断，该频率可以通过编程设定。
- 节拍（tick）：预编的节拍率对内核来说是可知的，因此内核知道连续2次时钟中断间隔时间。这个时间称为节拍。节拍 = 1/ 节拍率。常用来计算墙上时间和系统运行时间。
- 墙上时间（walk clock time）：实际时间，对用户空间的应用程序来说很重要。代表从进程开始运行到结束，系统时钟走过的时间（时钟数），包含了进程阻塞的时间。每秒滴答数（节拍率）可通过sysconf(_SC_CLK_TCK)获取。
- 系统运行时间：自系统启动开始所经过的时间，对用户空间和内核都很有用。墙上时间 = 阻塞时间 + 就绪时间 + 运行时间，运行时间 = 用户CPU实际 + 系统CPU时间。
系统定时器中断周期性执行的任务：
- 更新系统时间。
- 更新实际时间。
- 在smp系统上，均衡调度程序中各处理器上的运行队列。如果运行队列负载不均衡的话，尽量使它们均衡。
- 检查当前进程是否用尽了自己的时间片。如果用尽，就重新调度。
- 运行超时的动态定时器。
- 更新资源消耗和处理器时间的统计值。
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节拍率：HZ
系统定时器（节拍率）通过静态预处理定义，系统启动时按HZ值对硬件进行设置。HZ值取决于体系结构。如i386体系结构，HZ值为1000（Hz），代表每秒钟产生1000次节拍
#include <asm/param.h>
#define HZ 1000 /* 内核时钟频率 */
其他体系结构节拍率：
系统定时器使用高频率优缺点
优点：
- 内核定时器能以更高频度和准确度运行。
- 依赖定时值执行的系统调用，如select，poll，能以更高精度运行。
- 对诸如资源消耗和系统运行时间等的测量会有精细的解析度。
- 提高进程抢占的准确度。
缺点：
- 节拍率越高，系统时钟中断频率越高，意味着系统负担越重，即中断处理处理程序占用的处理器时间越多，减少了处理其他工作的时间。
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jiffies
全局变量jiffies用来记录自系统启动以来产生的节拍总数。启动时，初值0；之后，每次时钟中断处理程序都会让jiffies+1。
jiffies定义：
#include <linux/jiffies.h>
extern unsigned long volatile jiffies;
jiffies内部表示
32bit体系结构上，jiffies是32bit，如果时钟频率100Hz，497天后会溢出；频率1000Hz，49.7天后溢出。
64bit体系结构上，几乎不可能会看到它溢出。
除了前面定义，jiffies还有第二个变量定义：
#include <linux/jiffies.h>
extern u64 jiffies_64;
ld(1) 脚本用于连接主内核映像，然后用jiffies_64初值覆盖jiffies变量：
// x86, arch/i386/kernel/vmlinux.lds.S
jiffies = jiffies_64;
也就是说，jiffies只取jiffies_64低32bit。因为大多数代码只使用jiffies存放流失的时间，二时间管理代码使用整个64bit的jiffies_64，以避免溢出。
在32bit体系结构上，jiffies 读取jiffies_64低32bit值；get_jiffies_64()读取jiffies_64整个64bit值。
周64bit体系结构上，jiffies 等价于get_jiffies_64()，和jiffies_64是同一个变量。
jiffies回绕
jiffies 溢出后，会绕回（wrap around）到0。内核提供4个宏函数，用于比较节拍计数，以避免回绕问题。
#include <linux/jiffies.h>
// unknown是jiffies, known是需要对比的值
#define timer_after(unknown, known) ((long)(known) - (long)(unknown) < 0)
#define timer_before(unknown, known) ((long)(unknown) - (long)(known) < 0)
#define timer_after_eq(unknown, known) ((long)(unknown) - (long)(known) >= 0)
#define timer_after(unknown, known) ((long)(known) - (long)(unknown) >= 0)
用户空间和HZ
Linux内核2.6以前，如果改变内核中HZ值，会给用户空间中某些程序造成异常结果，因为应用程序已经依赖这个特定HZ值。
要避免上面错误，内核需要更改所有导出的jiffies值。因此，内核定义USER_HZ代表用户空间看到的HZ值。
例如，x86体系结构上，HZ值原来一直是100，因此USER_HZ值定义为100。
内核使用宏jiffies_to_clock_t() 将一个由HZ表示的节拍计数转换成一个由USER_HZ表示的节拍数。
当USER_HZ是HZ的整数倍时，
#define jiffies_to_clock_t(x) ((x) / (HZ/USER_HZ))
另外，jiffies_64_to_clock_t()将64位jiffies值单位从HZ转换为USER_HZ。
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硬时钟和定时器
体系结构提供3种硬时钟用于计时：实时时钟，时间戳计数，可编程中断定时器。
实时时钟 RTC
RTC是用来持久存放系统时间的设备，即使PC关掉电源，RTC还能依靠主板电池继续计时。
主要作用：
1）系统启动时，内核通过读取RTC来初始化墙上时间，该时间存放在xtime变量中。
2）Linux只用RTC来获得当前时间和日期。
时间戳计数 TSC
x86包含一个64位的时间戳计数器（寄存器），对每个时钟信号进行计数。例如，如果时钟节拍400MHz，那么TSC每2.5ns计数+1。而时钟信号频率没有在预编译时指定，必须在Linux初始化时确定。通过calibrate_tsc()，在系统初始化阶段完成时钟信号频率计算。
可编程中断定时器 PIT
x86体系结构中，主要采用可编程中断时钟（PIT）作为系统定时器。
Linux中，若PIT以100Hz频率向IRQ0发出定时中断，即每10ms产生1次定时中断。这个10ms间隔，就是一个节拍（tick），以微妙为单位存放在tick变量。
TSC与PIT相比，拥有更高的精度。PIT针对编写软件而言，更加灵活。
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时钟中断处理程序
时钟中断处理程序可划分2个部分：体系结构相关部分，体系结构无关部分。
与体系结构相关的例程作为系统定时器（PIT）的中断处理程序而注册到内核，以便产生时钟中断时能运行。
处理程序主要执行以下工作：
- 获得xtime_lock锁，对访问jiffies_64和墙上时间进行保护。
- 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。
- 调用体系结构无关的时钟例程：do_timer()。
中断服务程序主要通过调用与体系结构无关的do_timer()执行工作：
- 给jiffies_64 + 1。
- 更新资源消耗的统计值，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。
- 更新墙上时间，该时间存放在xtime变量中。
- 计算平均负载值。
do_timer()看起来像：
void do_timer(struct pt_regs* regs)
{
jiffies_64++;
update_process_times(user_mode(regs)); // 对用户或系统进行时间更新
update_times(); // 更新墙上时钟
}
user_mode()宏查询处理器寄存器regs的状态。如果时钟中断发生在用户空间，它返回1；如果发生在内核，则返回0。update_process_times()函数根据时钟中断产生的位置（用户态 or 内核态），对用户或对系统进行相应的时间更新。
void update_process_times(int user_tick)
{
struct task_struct *p = current;
int cpu = smp_processor_id();
int system = user_tick ^ 1; // user_tick和system只会有一个变量为1，另一个必为0
update_one_process(p, user_tick, system, cpu); // 更新进程时间
run_local_timers(); // 标记一个软中断处理所有到期的定时器
scheduler_tick(user_tick, system); // 负责减少当前运行进程的时间片计数值，并在需要时设置need_resched标志
}
update_one_process() 通过判断分支，将user_tick和system加到进程相应的计数上：
/* 更新恰当的时间计数器，给其加一个jiffy */
p->utime += user;
p->stime += system;
update_times()负责更新墙上时钟：
void update_times(void)
{
unsigned long ticks; // 记录最近一次更新后新产生的节拍数
ticks = jiffies - wall_jiffies;
if (ticks) {
wall_jiffies += ticks;
update_wall_time(ticks); // 更新存储墙上时间的xtime
}
last_time_offset = 0;
calc_load(ticks); // 更新载入平均值
}
ticks记录最近一次更新后新产生的节拍数。通常，ticks应为1，但时钟中断可能丢失，导致节拍丢失。中断长时间被禁止时，就会出现这种情况（虽然很可能是bug）。
cal_load(0更新载入平均值，到此，update_times()执行完毕。do_timer()亦执行完毕并返回与体系结构相关的中断处理程序，继续执行后面的工作，释放xtime_lock锁，然后退出。
墙上时间（实际时间）
墙上时间定义在kernel/timer.c中
struct timespec xtime;
timespec结构定义：
#include <linux/time.h>
struct timespec {
time_t tv_sec; /* 秒 */
long tv_nsec; /* 纳秒 */
};
xtime.tv_sec 存放着自1970年7月1日（UTC）以来经过的时间。1970年7月1日被称为纪元，Unix墙上时间都是基于该纪元的。
xtime.ntv_sec记录着自上一秒开始经过的纳秒数。
读写xtime变量需要用xtime_lock锁，这是一个seqlock锁。
更新xtime：
write_seqlock(&xtime_lock);
/* 更新xtime... */
write_sequnlock(&time_lock);
读取xtime：
/* 循环更新xtime, 直到确认循环期间没有时钟中断处理程序更新xtime */
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));
如果循环期间有时钟中断处理程序更新xtime，read_seqretry()会返回无效序列号，继续循环等待。
从用户空间取得墙上时间的主要接口：gettimeofday()，内核中对应系统调用sys_gettimeofday()：
asmlinkage long sys_gettimeofday(struct timeval* tv, struct timezone* tz)
{
if (likely(tv)) { // <=> if (tv)
struct timeval ktv;
do_gettimeofday(&ktv); // 循环读取xtime操作
}
if (copy_to_user(tv, &ktv, sizeof(ktv))) // 在给用户空间拷贝墙上时间或时区
return -EFAULT; // 拷贝时发生错误
if (unlikely(tz)) { // <=> if (!tz)
if (copy_to_user(tz, &sys_tz, sizeof(sys_tz))) return -EFAULT;
}
return 0;
}
/* 宏likely和unlikey在内核中定义, 便于编译器优化, 以提升性能 */
#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
time, ftime, gettimeofday关系
内核也实现了time(), ftime()系统调用，但都被gettimeofday()所取代。为保持向后兼容，Linux还保留着。
- time() 返回从1970年1月1日午夜开始所走过的秒数。
- ftime() 返回一个类型为timeb的数据结构，该结构包含从1970年1月1日午夜开始所走过的秒数；在最后1秒内所走过的毫秒数；时区以及夏令时当前的状态。
- gettimeofday() 返回的值存放在2个数据结构timeval和timezone，其中包含的信息与ftime相同。
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定时器
定时器被称为动态定时器或内核定时器，是管理内核时间的基础。
定时器使用
思路：先进行一些初始化工作，设置一个超时时间，指定超时后执行的函数，然后激活定时器。指定的函数将在定时器到期时自动执行。
定时器不会周期运行，超时后自行销毁。这是这种定时器被称为动态定时器的一个原因。因此，动态定时器是在不断的创建和销毁，而且运行次数不受限制。在内核中应用非常普遍。
定时器由结构timer_list表示，定义于<linux/timer.h>
struct timer_list {
struct list_head entry; /* 定时器链表入口 */
unsigned long expires; /* 以jiffies为单位的定时值 */
spinlock_t lock; /* 保护定时器的锁 */
void (*function)(unsigned long); /* 定时器处理函数 */
unsigned long data; /* 传给处理函数的长整型参数 */
struct tvec_t_base_s *base; /* 定时器内部值, 用户不要使用 */
};
使用定时器不用深入了解timer_list结构。内核提供一组接口简化管理定时器的操作。
1）定义定时器
struct timer_list my_timer;
2）初始化定时器
init_timer(&my_timer);
3）填充定时器结构中需要的值
my_timer.expires = jiffies + delay; /* 定时器超时节拍数 */
my_timer.data = 0; /* 给定时器处理函数传入值0 */
my_timer.function = my_function; /* 定时器超时调用的处理函数 */
超时处理函数必须是这种原型：
void my_timer_function(unsigned long data);
4）激活定时器
add_timer(&my_timer);
定时器工作条件：当前节拍计数jiffies >= my_timer.expires
定时器会在超时后马上执行，但也可能推迟到下一个时钟节拍，因此不能用于硬实时任务。
5）修改定时器
改变超时时间
mod_timer(&my_timer, jiffies + new_delay); /* new expiration */
mod_timer可用于已经初始化但未激活的定时器；如果定时器未被激活，mod_timer会激活之。
如果调用时，定时器未被激活，函数返回0；否则，返回1.
6）删除定时器
在定时器超时前定制定时器
del_timer(&my_timer);
激活或未被激活的定时器都可以用该函数，如果未被激活，函数返回0；否则，返回1。
已超时的定时器不需要调用该函数，因为会自动被删除。
del_timer只能保证定时器将来不会被激活，不保证当前在其他处理器上已运行时会停止。此时，需要用del_timer_sync，等待其他处理器上运行的超时处理函数退出。
del_timer_sync(&my_timer); /* 如果有并发访问可能性, 推荐优先使用 */
del_timer_sync() 不能在中断上下文中使用，因为会阻塞。
定时器竞争条件
定时器与当前执行（设置定时器的）代码是异步的，因此可能存在潜在竞争条件。因此，不能用如下方式替代mod_timer()，来改变定时器的超时时间，因为在多处理器上是不安全的：
/* 用下面代码替换mod_timer, 修改定时器超时时间是错误的 */
del_timer(&my_timer);
my_timer->expires = jiffies + new_delay;
add_timer(&my_timer);
通常，用过用del_timer_sync() 取代del_timer()删除定时器，避免并发访问的问题，因为无法确定删除定时器的时候，它是否在其他处理器上运行。
实现定时器
定时器作为软中断在下半部上下文中执行。
时钟中断处理程序会执行update_process_timers()，该函数会随即调用run_local_timers()。
void run_local_timers(void)
{
raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ);
}
run_timer_softirq()处理软件中断TIMER_SOFTIRQ，从而在当前处理器上运行所有的超时定时器。
内核定时器是以链表形式存放，但并没有遍历链表以寻找超时定时器，也没有在链表中插入和删除定时器。
而是，将定时器按超时时间分为五组。当定时器超时时间接近时，定时器将随组一起下移。采用分组定时器的方法可以在执行软中断的多数情况下，可以确保内核尽可能减少搜索超时定时器所带来的负担。
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延迟执行
内核代码（尤其驱动程序）除了用定时器或下半部机制外，还需要其他方法来推迟执行任务。
常适用于：短时间等待硬件完成某些工作，比如，重新设计网卡的以太网模式（2ms）。
内核提供多种延迟方法处理各种延迟要求：
1）忙等待
2）短延迟
3）schedule_timeout()
4）设置超时时间，在等待队列上睡眠
忙等待
忙等待（或称忙循环），是最简单的延迟方法，也是最不理想的。
方法仅适用于想要延迟的时间是节拍的整数倍，或者精确度要求不高时使用。
忙循环使用示例：在循环中不断旋转直到希望的时钟节拍数耗尽
unsigned long delay = jiffies + 10; /* 10个节拍 */
while (time_before(jiffies, delay)) /* CPU循环等待 jiffies > delay (自动处理定时器值回绕) */
;
上面循环不断旋转，等待10个节拍。HZ值为1000的x86体系结构上，每个节拍1ms，10个节拍总共耗时10ms。
unsigned long delay = jiffies + 2 * HZ; /* 2秒 */
while (time_before(jiffies, delay))
;
上面循环自旋时，并不会放弃CPU。下面cond_resched()将调度一个新程序投入运行，不过只有在设置完need_resched标志后，才能生效。因为cond_resched方法会调用调度程序，因此不能在中断上下文中使用，而只能在进程上下文中使用。
unsigned long delay = jiffies + 5 * HZ;
while (time_before(jiffies, delay))
cond_resched(); /* 调度一个新程序投入运行 */
注意：
1）所有延迟方法都只能在进程上下文使用，不能在中断上下文使用。因为中处理程序应尽快执行。
2）延迟执行 不应在持有锁或者禁止中断的时候发生。
短延迟
有时驱动程序不但需要很短的延迟（比时钟节拍typ.为1ms还短），而且要求延迟的时间很精确。不可能使用精度为1ms的jiffies节拍用于延迟。
此时，可以用内核提供的另外2个函数，用于处理微妙和毫秒级延迟。
头文件：<linux/delay.h>
void udelay(unsigned long usecs);
void mdelay(unsigned long msecs);
mdelay是通过udelay实现的。
如，延迟150微秒，延迟200毫秒
udelay(150); /* 延迟150us */
mdelay(200); /* 延迟200ms */
注意：
1）延迟超过1ms时，不要用udelay，应该用mdelay。
2）能不用则不用mdelay，尽量少用。
3）不要在持有锁或者禁止中断时，使用忙等待，因为类似于忙等待，会让系统响应速度和性能大打折扣。
schedule_timeout() 睡眠到指定延迟时间
该方法会让需要延迟执行的任务睡眠到指定的延迟时间耗尽后，再重新运行。不能保证睡眠时间刚好等于指定的延迟时间，只能是尽量接近。当指定时间到期后，内核唤醒被延迟的任务并将其重新放回运行队列。
典型用法：
/* 将任务设置为可中断睡眠状态 */
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
unsigned long S = 10;
/* 小睡一会儿，S秒后唤醒 */
schedule_timeout(s * HZ);
唯一的参数是延迟的相对时间，单位jiffies。
如果睡眠时，想接收信号，可将任务状态设置为TASK_INTERRUPTIBLE；如果不想，可以将任务状态设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE。
注意：调用schedule_timeout()前，必须将任务设置为上面两种状态之一，否则任务不会睡眠。
schedule_timeout的简单实现：
signed long schedule_timeout(singed long timeout)
{
timer_t timer;
unsigned long expire;
switch(timeout)
{ /* 处理特殊情况 */
case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT: /* 无限期睡眠 */
schedule(); /* 调度进程: 从就绪队列中选一个优先级最高的进程来替代当前进程运行 */
goto out;
default:
if (timeout < 0) {
printk(KERN_ERR"schedule_timeout: wrong timeout value %lx from %p\n", timeout, __builtin_return_address(0));
goto out;
}
}
expire = timeout + jiffies;
init_timer(&timer); /* 初始化动态定时器 */
timer.expires = expire;
timer.data = (unsigned long)current;
timer.funtion = process_timeout;
add_timer(&timer); /* 激活定时器 */
schedule();
del_timer_sync(&timer); /* 同步删除定时器 */
timeout = expire - jiffies;
out:
return timeout < 0 ? 0 : timeout;
}
/* 定时器超时处理函数 */
void process_timeout(unsigned long data)
{
wake_up_progress((task_t *)data); /* 唤醒进程, 将任务设置为TASK_RUNNING */
}
因为任务被标识为TASK_INTERRUPTIBLE或TASK_UNINTERRUPTIBLE（在调用schedule_timeout之前），所以调度程序不会再选择该任务投入运行，而会选择其他新任务运行。
设置超时时间，在等待队列上睡眠
进程上下文中为了等待特定事件发生，会将自己放入等待队列，然后调用调度程序执行新任务。一旦事件发生，内核可调用wake_up()唤醒在睡眠队列上的任务，使其重新投入运行。
schedule_timeout用在什么地方？
当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，看谁先来。此时，可以用schedule_timeout替换schedule()，因为schedule()只是简单的阻塞等待唤醒事件，而schedule_timeout除了可以等待IO事件，还会等待超时。
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小结
1）讲述了时间的基本概念，如墙上时间，时钟中断，时钟节拍，HZ，jiffies等。
2）定时器的实现，应用方法等。
3）开发者用于延迟的方法：忙等待、短延迟、schedule_timeout。
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参考
[1]RobertLove, 洛夫, 陈莉君,等. Linux内核设计与实现[M]. 机械工业出版社, 2006.
