linux核心中的個性時鐘nohz與hres(1)

設計linux核心的那幫傢伙想的可真周到啊，前面說過，linux核心的性格就是激情，只要硬體設計的足夠靈活，那麼設計者就會儘可能的發揮，不放過任 何可自由發揮的點和死角，而且他們從來不管後果，有時還毅然拋棄硬體的建議，最新核心設計linux核心的那幫傢伙想的可真周到啊，前面說過，linux核心的性格就是激情，只要硬體設計的足夠靈活，那麼設計者就會儘可能的發揮，不放過任 何可自由發揮的點和死角，而且他們從來不管後果，有時還毅然拋棄硬體的建議，最新核心的nohz可謂是一項創舉。時鐘中斷是電腦系統必須的，就像人必須 有心跳一樣，人的心跳是周期的，電腦系統的“心跳”也是周期的，因此，時鐘中斷每隔固定的時間就會發生。

真的是這樣嗎？linux核心的設計者認為如果cpu在空閑態，那麼就沒有必要心跳了，畢竟電腦不是一個自組織系統，能源全靠外界電源供給，而人是一個 自組織實體，因此人必須要有周期的心跳來自己產生能量，電腦的外界電源只要不斷，加上時鐘可程式化，那麼非周期心跳甚至心跳停止就是可能的，linux內 核實現了這一點。在2.6.21核心之前，時鐘中斷是周期的，在那之後引入了新的時鐘封裝結構clock_event_device和 clocksource，於是可以更加靈活的實現自己設計的個性時鐘，這個個性時鐘就是nohz方式和hres方式。當然系統初 啟的時候時鐘中斷還是周期的，當timer_interrupt被調用的時候，就會觸發timer非強制中斷，然後在接下來的非強制中斷處理中找機會切到nohz 或者hres，具體代碼如下：

 

  
void run_local_timers(void)  
  
{  
  
hrtimer_run_queues(); //優先處理高精度時鐘隊列  
  
raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ); //觸發非強制中斷，處理函數見下：  
  
softlockup_tick();  
  
}  
  
static void run_timer_softirq(struct softirq_action *h)
//非強制中斷處理函數  
  
{  
  
struct tvec_base *base = __get_cpu_var(tvec_bases);  
  
hrtimer_run_pending(); //這裡有機會切換到nohz或者hres  
  
if (time_after_eq(jiffies, base->timer_jiffies))  
  
__run_timers(base);  
  
}  
  
void hrtimer_run_pending(void)  
  
{  
  
struct hrtimer_cpu_base *cpu_base = &__get_cpu_var(hrtimer_bases);  
  
if (hrtimer_hres_active()) //如果已經是了，就沒有必要切換了，直接返回  
  
return;  
  
if (tick_check_oneshot_change(!hrtimer_is_hres_enabled())) 
//這個if判斷就是具體切換到hres或者nohz的代碼  
  
hrtimer_switch_to_hres();  
  
run_hrtimer_pending(cpu_base);  
  
}  
  
int tick_check_oneshot_change(int allow_nohz)  
  
{  
  
struct tick_sched *ts = &__get_cpu_var(tick_cpu_sched);  
  
if (!test_and_clear_bit(0, &ts->check_clocks))
 //由此開始的種種判斷說明切換所需要到種種條件  
  
return 0;  
  
if (ts->nohz_mode != NOHZ_MODE_INACTIVE)  
  
return 0;  
  
if (!timekeeping_valid_for_hres() || !tick_is_oneshot_available())  
  
return 0;  
  
if (!allow_nohz) //如果hres是允許的，那麼返回1，這樣就會切換到hres高精度模式了  
  
return 1;  
  
tick_nohz_switch_to_nohz(); 
//如果沒有機會切換到高精度模式，前面種種驗證均通過，這裡最起碼切換到了nohz模式  
  
return 0;  
  
} 
 

hres 模式和nohz模式的具體切換由hrtimer_switch_to_hres和tick_nohz_switch_to_nohz負責。不能光一味的跟 蹤代碼，hres和nohz有何關聯呢又分別是什麼意義呢？hres實際上也不是周期中斷的，而是很精確的確定中斷，用最近到時的hrtimer的觸發時 間來對時鐘編程從而在那個時間到來的時候觸發中斷，而nohz僅僅說明可以用非周期的時間對時鐘編程，對精度沒有要求。

在hres中，一切事物都由一個 hrtimer負責，比如原來的節拍調度，統計當前進程的時間等操作直接在timer_interrupt進行，而hres模式下，上述操作專門有一個 hrtimer，當clock_event_device的event_handler執行時所有操作都被封裝進了 clock_event_device的event_handler，而此event_handler在切換到hres或者nohz的時候被賦值），該函 數遍曆所有的hrtimer，所有的hrtimer組織成紅/黑樹狀結構，將到期的hrtimer鏈入一個鏈表，然後在非強制中斷中執行這個鏈表的hrtimer的回 調函數，對於別的hrtimer則馬上執行：所有hrtimer分為兩類，一類不能在非強制中斷中執行，屬於比較緊急的，另一個可以在非強制中斷中執行，屬於不那 麼緊急的。對於純粹的nohz非hres模式，event_handler中還是傳統的處理方式，只不過下次中斷的時間可以任意編程。這種方式中，時間測量可以達到鈉秒的精度。

每當cpu執行cpu_idle的時候，核心就會找機會停掉系統的心跳，然後在適當時機觸發心跳，而不是周期的心跳，這個時機是什麼呢？如果一切都由 hrtimer負責了，那麼這個時機就是找出的最近到期的timer的到期時刻，雖然停掉了周期的時鐘中斷，但是別的硬體中斷是沒有停掉的，而硬體中斷可能觸發一些事件，比如調度，比如發布一個新的timer，因此，每次硬體中斷後都要檢查最新的hrtimer的到期情況和重新調度請求，如果有那麼馬上停 掉關心跳模式切出idle進程。下面的代碼體現了這一點，在每次進入硬體中斷處理的時候都要調用irq_enter：

 

  
void irq_enter(void)  
  
{  
  
#ifdef CONFIG_NO_HZ  
  
int cpu = smp_processor_id();  
  
if (idle_cpu(cpu) && !in_interrupt())  
  
tick_nohz_stop_idle(cpu);  
  
#endif  
  
__irq_enter();  
  
#ifdef CONFIG_NO_HZ  
  
if (idle_cpu(cpu))  
  
tick_nohz_update_jiffies(); //更新計時，nohz模式由此來作為觸發下一
中斷的時機參考。怎麼理解呢？看看這個調用條件，只有在cpu處於idle狀態時
才更新時間，因為cpu處於idle時可能已經將周期時鐘停掉了，為了不遺失時
間資訊，必須在中斷中補上。  
  
#endif  
  
} 
 

nohz 模式下的中斷“幾乎”是周期的，nohz的字面意義就是非周期，但是它還是基本周期的，因為它沒有任何下一個時鐘中斷的時間點依據；但是hres卻是完全 隨機時鐘中斷的，因為它的event_handler中就是操作紅/黑樹狀結構上的hrtimer們，因此，它完全可以將下一個到期的hrtimer的到期時刻作為下一個觸發時鐘中斷的時刻，要知道在hres模式裡面，所有的時間相關的操作比如計時，節拍調度等都是由hrtimer負責的，如果要選擇下一次觸發時 鐘中斷的時機就不能在某一個hrtimer的處理函數裡面仲裁了，而必須在全域的處理所有的hrtimer的event_handler函數裡面仲裁，這 就是一切。我們看一下cpu_idle：

 

  
void cpu_idle(void)  
  
{  
  
int cpu = smp_processor_id();  
  
current_thread_info()->status |= TS_POLLING;  
  
/* endless idle loop with no priority at all */  
  
while (1) {  
  
tick_nohz_stop_sched_tick(1);   
  
while (!need_resched()) {  
  
check_pgt_cache();  
  
rmb();  
  
if (rcu_pending(cpu))  
  
rcu_check_callbacks(cpu, 0);  
  
if (cpu_is_offline(cpu))  
  
play_dead();  
  
local_irq_disable();  
  
__get_cpu_var(irq_stat).idle_timestamp = jiffies;  
  
/* Don't trace irqs off for idle */  
  
stop_critical_timings();  
  
pm_idle();  
  
start_critical_timings();  
  
}  
  
tick_nohz_restart_sched_tick();  
  
preempt_enable_no_resched();  
  
schedule();  
  
preempt_disable();  
  
}  
  
} 
 

其中tick_nohz_stop_sched_tick裡面調用了next_jiffies = get_next_timer_interrupt(last_jiffies);這一句，此句的意思就是找出下一個最近的timer或者hrtimer 用來將其到期時間作為下一個時鐘中斷的時間。在tick_nohz_stop_sched_tick中當然要檢查重新調度標誌，如果置位那麼馬上返回不再 nohz了，其實在每個硬體中斷後的irq_exit裡都要調用tick_nohz_stop_sched_tick函數用來在可能的情況下重新對時鐘編 程。