Linux hrtimer分析–未配置高精度模式

 轉自：http://blog.csdn.net/walkingman321/article/details/6133171

本文分析了Linux2.6.29中hrtimer的實現。

 

Linux2.6中實現了一種新的定時器hrtimer。與傳統定時器使用時間輪演算法不同，hrtimer使用了紅/黑樹狀結構演算法。hrtimer本身可以配置成高精度和普通精度兩種，在單CPU系統和多CPU系統中的實現也有區別。這裡先分析最簡單的配置成普通精度、單CPU的情況。配置成高精度的情況見後續文章。

1.     時鐘源的定義

為了實現hrtimer，Linux為系統中每一個CPU定義了一個hrtimer_cpu_base，這個結構體的定義如下： 

struct hrtimer_cpu_base {raw_spinlock_tlock;struct hrtimer_clock_baseclock_base[HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES];  //時鐘源 #define HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES 2#ifdef CONFIG_HIGH_RES_TIMERSktime_texpires_next;inthres_active;inthang_detected;unsigned longnr_events;unsigned longnr_retries;unsigned longnr_hangs;ktime_tmax_hang_time;#endif};
 
struct hrtimer_clock_base {struct hrtimer_cpu_base*cpu_base;clockid_tindex;struct rb_rootactive;struct rb_node*first;ktime_tresolution;ktime_t(*get_time)(void);ktime_tsoftirq_time;#ifdef CONFIG_HIGH_RES_TIMERSktime_toffset;#endif};
在hrtimer.c中，有為每個CPU具體定義hrtimer_cpu_base的代碼：
DEFINE_PER_CPU(struct hrtimer_cpu_base, hrtimer_bases) ={.clock_base ={{.index = CLOCK_REALTIME,.get_time = &ktime_get_real,.resolution = KTIME_LOW_RES,},{.index = CLOCK_MONOTONIC,.get_time = &ktime_get,.resolution = KTIME_LOW_RES,},}};
1.1 時鐘源類型
       可以看出，每個CPU都必須定義兩個時鐘源：REALTIME和MONOTONIC。REALTIME代表系統時鐘，MONOTONIC代表單調遞增時鐘。兩者的區別在於，當使用者更改系統時間時，REALTIME時鐘會收到影響，但MONOTONIC不受影響。這可以從它們兩個的get_time函數指標看出來，REALTIME時鐘指向的是ktime_get_real，MONOTONIC指向的是ktime_get。
     時鐘源的結構體定義為struct hrtimer_clock_base，其中有兩個域struct rb_node       *first和struct rb_root   active，這兩個域維護了hrtimer的紅/黑樹狀結構。也就是說，每一個hrtimer_clock_base都維護了自己的一個紅/黑樹狀結構。
      hrtimer在初始化時，都需要加入到某一個時鐘源的紅/黑樹狀結構中，這個時鐘源要麼是REALTIME，要麼是MONOTONIC，這個關聯通過struct hrtimer的base域實現。
struct hrtimer {struct rb_nodenode;ktime_t_expires;ktime_t_softexpires;enum hrtimer_restart(*function)(struct hrtimer *);struct hrtimer_clock_base*base;unsigned longstate;#ifdef CONFIG_TIMER_STATSintstart_pid;void*start_site;charstart_comm[16];#endif};
2. hrtimer的基本操作
      Linux的傳統定時器通過時間輪演算法實現（timer.c），但hrtimer通過紅/黑樹狀結構演算法實現。在struct hrtimer裡面有一個node域，類型為struct rb_node，這個域代表了hrtimer在紅/黑樹狀結構中的位置。
 2.1 hrtimer_start
hrtimer_start函數將一個hrtimer加入到一個按照到期時間排序的紅/黑樹狀結構中，其主要流程為：
int hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode);
       // 根據time和mode參數的值計算hrtimer的逾時時間，並設定到timer->expire域。
       // expire設定的是絕對時間，所以如果參數mode的值為HRTIMER_MODE_REL（即參數tim的值為相對時間），那麼需要將tim的值修正為絕對時間：
       //     expire = tim + timer->base->get_time()。（注意本文只研究單CPU的情況）
       //調用enqueue_hrtimer，將hrtimer加入到紅/黑樹狀結構中。
 
2.2 hrtimer的到期
      hrtimer在hrtimer_run_queues函數中判斷是否到期執行。hrtimer_run_queues <Called from hardirq context every jiffy>的調用鏈為：Linux的系統時鐘函數->update_process_times->run_local_timers->hrtimer_run_queues。
void hrtimer_run_queues(void)
       // 判斷是否是高精度模式，如果是高精度模式，立即返回。本文暫不考慮這種情況。
       // 對每一個時鐘源（REALTIME和MONOTONIC）的紅/黑樹狀結構，按到期先後順序檢查hrtimer，看它們是否到期（將定時器與時鐘源的softirq_time比較）。如果到期，就把這個到期的定時器取出，然後按照定時器的具體模式執行相應的操作：
      //如果定時器模式為HRTIMER_CB_SOFTIRQ，那麼將定時器搬到hrtimer_cpu_base的cb_pending隊列
      //調用__run_hrtimer，在__run_hrtimer中執行定時器的回呼函數。
 
在沒有配置高精度模式時，cb_pending隊列中的定時器會在TIMER_SOFTIRQ非強制中斷中執行。調用鏈為
run_timer_softirq->
hrtimer_run_pending(Called from timer softirq every jiffy)->
hrtimer_switch_to_hres->
tick_init_highres->
tick_switch_to_oneshot(hrtimer_interrupt)
<把hrtimer_interrupt賦值給dev->event_handler,即dev->event_handler = handler;>
 
2.3 hrtimer_cancel
       hrtimer_cancel函數的作用是刪除一個正在排隊的定時器。這裡分三種情況，一種是定時器已到期，並且設定了非強制中斷模式；第二種是沒有到期，還在紅/黑樹狀結構中；第三種是定時器正在執行。
         第一種情況，定時器被掛在hrtimer_cpu_base的cb_pending隊列中，所以需要把它從pending隊列中移出。
         第二種情況，定時器還在紅/黑樹狀結構中，那麼把它從紅/黑樹狀結構中移出。由於本文暫時只考慮高精度沒有開啟的情況，所以先不研究定時器正好排在紅/黑樹狀結構第一個時的情況（即代碼中調用hrtimer_force_reprogram函數的部分）。
         第三種情況刪除失敗，hrtimer_cancel函數會迴圈重試，等到定時器執行完的時候再刪除。（這在多CPU系統中可能會發生）
3.  未使能高精度模式時與傳統timer的區別
     1）傳統timer使用時間輪演算法，hrtimer使用紅/黑樹狀結構演算法。
     2）傳統timer在非強制中斷中執行，hrtimer在硬中斷中執行（update_process_times -> run_local_timers -> hrtimer_run_queues）。如果hrtimer設定了HRTIMER_CB_SOFTIRQ模式，那麼timer會被移到pending隊列，然後再由非強制中斷執行。