本文深入解析Linux内核中的定时器实现，包括低精度和高精度定时器的原理、数据结构及主要API，通过实例展示如何在驱动开发中应用。
Linux内核定时器开发-低精度和高精度定时器
上篇文章讲解了如何正确的使用内核延时函数，在进行驱动开发时，可能会经常用到精确地延时操作。除此之外，如果要实现一个定时任务，那就需要用到定时器。作为一项基础功能需求，Linux内核提供了定时器相关的实现。下面就具体看一下，Linux内核所提供的定时器实现。
定时器种类
为了适应不同的应用场景，Linux内核提供了两种定时器：低精度和高精度定时器。低精度定时器基于硬件的周期性中断实现，其定时周期的粒度为1/HZms，例如，内核HZ为1000，那么低精度的定时器最小定时时间为1ms；高精度定时器可以实现ns级的定时，不过，实际的定时周期粒度与CPU的主频有关，比如，桌面级的CPU一般都是GHZ级别，那么，其定时粒度可以达到ns级别，而对于嵌入式CPU，其主频一般在百兆级别，那么定时粒度就只能达到us级别了。在进行开发时，需要根据实际场景，选择合适的定时器来实现功能。那么，实际开发时，如何使用这两类定时器呢？下面两节，就来具体看一下。
低精度定时器
上文说了，低精度定时器依赖于内核时钟中断实现，内核中所有的此类定时器会组成一个链表，处理时钟中断时，内核会检查定时器列表是否有到时的定时器，如果有，就会调用定时器处理函数，进行相关的处理。
这里需要强调的是，执行此类定时器的处理函数时处于“软中断”上下文，软中断是中断下半部处理的一种机制，“软中断”上下文是原子性的，不可以执行可能会引起系统调度或可能睡眠的操作，比如，kmalloc、copy_from_user、msleep、mutex_lock等等。如果在定时器处理函数中调用了上述函数，比如，msleep函数，会引其内核模块崩溃，严重的会导致系统崩溃，所以，使用时切记小心！
基本数据结构
struct timer_list {
/*
* All fields that change during normal runtime grouped to the
* same cacheline
*/
struct hlist_node entry;
unsigned long expires;
void (*function)(unsigned long);
unsigned long data;
u32 flags;
};
上面是低精度定时器timer_list的数据结构，从名字就可以判断出其基于链表实现，其通过entry挂载到内核的定时器哈希列表中。expires表示定时时间，注意：expires的单位为时钟滴答间隔，比如，你想设置一个定时周期为10ms的定时器，那么expires应该表示为jiffies+msec_to_jiffies(10)；function为定时器处理函数，data为function的入参，flags为定时器的一些选项，一般不需要配置。
可以看到，定时器的数据结构十分的简单，基本上没有什么难理解的地方。下面主要看一下，如何使用该定时器。
主要API
要想在内核中使用timer_list定时器，一般需要以下几个步骤：
-
声明一个定时器，例如，struct timer_list timer;
-
初始化定义定时器，初始化定时器有几种方式：
- #define TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data) ，例如，struct timer_list timer = TIMER_INITIALIZER（func, expires, data）；
- #define DEFINE_TIMER(_name, _function, _expires, _data)，例如，DEFIME_TIMER(timer,func，expires，data）；
- #define setup_timer(timer, fn, data)， 例如，setup_timer(&timer, func， data）
-
增加定时器， add_timer用于将定时器添加到内核定时器链表中，至此，定时器开始工作。timer_list，为单次触发的定时器，如果想连续执行定时任务，那么需要再定时处理函数的末尾再次执行add_timer，以便再次激活定时器。add_timer函数原型如下：
extern void add_timer(struct timer_list *timer); -
删除定时器，del_timer用于将定时器从内核定时器链表中立刻去除，不管是否正在处理该定时器。del_timer_sync()，是del_timer的同步版本，其会等待该定时器被处理完毕，注意，该函数可能会导致发生系统调度，所以其不能用在原子上下文中，比如，中断上下文。del_timer函数原型如下：
extern int del_timer(struct timer_list * timer); -
修改定时器，mod_timer可以修改定时器的超时时间，其函数原型如下：
mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)- timer，表示当前被修改的定时器
- expires，基于jiffiesd新的超时时间
对于已经激活的定时器（未激活时，mod_timer会将其激活），修改超时时间，使用mod_timer十分高效的，其相当于下面的操作：
del_timer(timer); timer->expires = expires; add_timer(timer);
这里需要注意的是，如果系统中有多个用户同步的使用同一个已激活的定时器（未加锁进行串行化），那么使用mod_timer是唯一可以安全的修改定时器的方法，因为mod_timer对于定时器的超时时间的修改是原子性的。
定时器使用模板
好了，实际开发时，知道上面的API使用方式，完全可以应付90%的低速定时器使用场景。下面说一下此类定时器的使用时的具体模式，请看代码。
lrtimer.c文件：
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/time.h>
static struct timer_list timer;
static unsigned long data = 10;
/*
* @breif:定时器处理函数
*
* @func:
*
* @param: data为setup_timer时传入的data参数
*
* @return:
*
*/
static void timer_cb(unsigned long data)
{
printk("data = %lu.\n", data);
mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10)); /*step3:重新激活定时器*/
}
static int __init module_lrtimer_init( void )
{
printk("low resolution timer init.\n");
setup_timer(&timer, timer_cb, data); /*step1:定义并初始化定时器*/
mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10/*ms*/));/*step2:修改定时器超时时间，并激活定时器*/
return 0;
}
static void __exit module_lrtimer_exit( void )
{
printk("low resolution timer exit.\n");
del_timer(&timer);
}
module_init(module_lrtimer_init);
module_exit(module_lrtimer_exit);
Makefile文件：
KVERS = $(shell uname -r)
# Kernel modules
obj-m += lrtimer.o
# Specify flags for the module compilation.
EXTRA_CFLAGS=-g -O0
build: kernel_modules
kernel_modules:
make -C $(KVERS)/build M=$(CURDIR) modules
clean:
make -C $(KVERS)/build M=$(CURDIR) clean
高精度定时器
上文看到低精度定时器的分辨率严重依赖内核的时钟中断，如果HZ为1000，那么其分辨率也仅仅为1ms，如果想要使用更高分辨率的定时器，那只能求助于hrtimer了。Linux内核在2005年开始在内核中增加hrtimer的支持，其基本特性如下：
- 高精度，定时的分辨率为1ns(ps:实际的分辨率依赖于CPU时钟的频率，嵌入式系统的分辨率在us级别），其时钟源来自于CPU的硬件clock。
- 与timer_list不同，与jiffies没有任何关系，所有内核逻辑都工作在64-bit ns级分辨率之上。
- 支持多种平台，i386, x86_64, ARM, PPC, PPC64, IA64。
hrtimer的应用也十分的广泛，依赖于posix-timers的用户空间程序，内核中需要高分辨率的驱动程序（多媒体驱动程序）等。
检查是否支持hrtimer
在使用hrtimer之前，需要确认当前内核是否支持，检测是否支持的方式有两种：
-
对于自行编译的内核，可以检测内核的配置文件是否打开了CONFIG_HIGH_RES_TIMERS选项。
# # Timers subsystem # CONFIG_TICK_ONESHOT=y CONFIG_NO_HZ_COMMON=y # CONFIG_HZ_PERIODIC is not set CONFIG_NO_HZ_IDLE=y # CONFIG_NO_HZ_FULL is not set CONFIG_NO_HZ=y CONFIG_HIGH_RES_TIMERS=y -
对于现存的内核，可以通过查看/proc/timer_list的信息，来确定是否支持hrtimer。
root@zpd /proc$ cat timer_list Timer List Version: v0.7 HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES: 4 now at 1559369165518 nsecs cpu: 0 clock 0: .base: 8bdc0308 .index: 0 .resolution: 1 nsecs
注意到，HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES：4，.resolution: 1 nsecs表示当前内核是支持hrtimer的。
基本数据结构
-
ktime：
union ktime { s64 tv64; #if BITS_PER_LONG != 64 && !defined(CONFIG_KTIME_SCALAR) struct { # ifdef __BIG_ENDIAN s32 sec, nsec; # else s32 nsec, sec; # endif } tv; #endif };
ktime用于保存hrtimer的定时时间，从定义中可以看出其完美高效的支持32bit/64bit系统。
-
hrtimer
struct hrtimer { struct timerqueue_node node; ktime_t _softexpires; enum hrtimer_restart (*function)(struct hrtimer *); struct hrtimer_clock_base *base; u8 state; u8 is_rel; };
struct hrtimer为hrtimer的基本数据结构，其主要包括如下几部分：
- node，hrtimer最终通过node挂接到timerqueue中。
- _softexpires，表示hrtimer的定时时间，_soft表示此定时时间只是软件意义上的。
- function，表示hrtimer的超时处理函数。
主要API
-
ktime相关的API
- ktime_t ktime_set(const long secs, const unsigned long nsecs)，通过secs和nsecs生成ktime_t
- static inline ktime_t ns_to_ktime(u64 ns)，通过ns生成ktime_t
- static inline ktime_t ms_to_ktime(u64 ms)，通过ms生成ktime_t
-
hrtimer_init 用于初始化一个hrtimer
extern void hrtimer_init(struct hrtimer *timer, clockid_t which_clock, enum hrtimer_mode mode); - timer：表示hrtimer定时器 - which_clock：表示选择系统的哪种时钟，主要包括两种：CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC，两种时钟的区别是，CLOCK_REALTIME表示绝对时间，而CLOCK_MONOTONIC表示相对时间。 - mode：表示hrtimer的类型，主要包括两种：HRTIMER_MODE_ABS、HRTIMER_MODE_REL，前者是绝对模式，对应于CLOCK_REALTIME时钟，后者是相对模式，对应于CLOCK_MONOTONIC。 -
hrtimer_start用于启动一个定时器
int hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode) - timer：表示当前的定时器 - tim:定时时间 - mode:与hrtimer_init中的mode一样。 -
hrtimer_cancle应于取消一个定时器， 并等待其执行完毕
int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer) -
hrtimer_forward_now，重新设置hrtimer的超时时间，用于实现连续定时。
u64 hrtimer_forward_now(struct hrtimer *timer, ktime_t interval)
示例
下面是基于hrtimer的简单示例，定时器的超时时间为10ms，并且在定时器超时处理函数中，调用hrtimer_forward_now再次启动定时器。
hrtimer.c
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/hrtimer.h>
#include <linux/ktime.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
static struct hrtimer hr_timer;
static unsigned long interval= 10; /* unit: ms */
struct timespec uptimeLast;
unsigned long long diff_tv(struct timespec start, struct timespec end)
{
return (end.tv_sec - start.tv_sec)*1000000000 + (end.tv_nsec-start.tv_nsec);
}
enum hrtimer_restart my_hrtimer_callback( struct hrtimer *timer )
{
struct timespec uptime;
do_posix_clock_monotonic_gettime(&uptime);
printk(KERN_INFO"hrtimer:%9lu sec, %9lu ns, interval_delay=%lu us\n",
(unsigned long) uptime.tv_sec,
uptime.tv_nsec,
(unsigned long)(diff_tv(uptimeLast, uptime))/1000);
uptimeLast=uptime;
hrtimer_forward_now(timer, ns_to_ktime(interval));
return HRTIMER_RESTART;
}
static int __init module_hrtimer_init( void )
{
struct timespec uptime;
static ktime_t ktime;
printk(KERN_INFO"HR Timer module installing\n");
hrtimer_init( &hr_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL );
ktime = ms_to_ktime(interval);
hr_timer.function = my_hrtimer_callback;
hrtimer_start(&hr_timer, ktime, HRTIMER_MODE_REL );
do_posix_clock_monotonic_gettime(&uptime);
uptimeLast = uptime;
printk(KERN_INFO "hrtimer:%9lu sec, %9lu ns\n",
(unsigned long) uptime.tv_sec, uptime.tv_nsec );
return 0;
}
static void __exit module_hrtimer_exit( void )
{
int ret;
ret = hrtimer_cancel( &hr_timer );
if (ret)
printk("The timer was still in use...\n");
printk("HR Timer module uninstalling.\n");
}
module_init(module_hrtimer_init);
module_exit(module_hrtimer_exit);
Makefile文件：
#KVERS = $(shell uname -r)
# Kernel modules
obj-m += hrtimer.o
# Specify flags for the module compilation.
EXTRA_CFLAGS=-g -O0
build: kernel_modules
kernel_modules:
make -C $(KVERS)/build M=$(CURDIR) modules
clean:
make -C $(KVERS)/build M=$(CURDIR) clean
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