LINUX内核设计思想之定时器和时间管理

最新推荐文章于 2022-11-29 17:46:32 发布

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本文详细介绍了Linux内核中的时间管理机制，包括节拍、HZ、jiffies的概念及其作用，硬时钟和定时器的工作原理，以及如何实现延迟执行等功能。

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内核中有大量函数都是基于时间驱动的.例如,屏幕刷新.

10.1 内核中的时间概念

节拍(tick):连续两次时钟中断的间隔时间,谓之节拍.

10.2 节拍率:HZ

把上面的节拍取倒数就是节拍率(HZ).内核在文件<asm/param.h>中定义了HZ的实际值,节拍率等于HZ,周期为1/HZ秒.例如:

I386体系结构在include/asm-i386/param.h中对HZ值定义如下:

#define HZ 1000

即i386体系结构中系统定时器频率为1000HZ,也就是说每秒钟1000次.

HZ在内核中起着举足轻重的地位.比如HZ=100的处理器,执行粒度为10毫秒,意味着系统中的周期事件最快为每10毫秒运行一次,而不可能有更高的精度.假定有一个正在运行的进程,它的时间片只剩下2毫秒了,此时如果调度程序要求抢占该进程,然后去运行另一个新进程,在这2毫秒内是不可能发生抢占的.实际上,对于频率为100HZ的时钟来说,最坏要在10毫秒后,当下一个时钟中断(100HZ对应的一个时钟中断为10毫秒)到来时才可以进行抢占.

10.3 jiffies

全局变量jiffies用来记录自系统启动以来产生的节拍总数.1秒内时钟中断次数等于HZ,jiffies一秒内增加的值就就是HZ.系统的运行时间以秒为单位计算,就等于jiffies/HZ.

Jiffies定义于<linux/jiffies.h>中:

Extern unsigned long volatile jiffies;

将秒转换成jiffies:

(seconds * HZ)

将jiffies转换成以秒为单位的时间:

(jiffies/HZ)

相对而言,内核中将秒转换为jiffies用得多一些,比如代码经常需要设置一些将来的时间:

Unsigned long time_stamp = jiffies; //现在

Unsigned long next_tick = jiffies+1; //下一节拍

Unsigned long later = jiffies + 5*HZ; //从现在起5秒

10.4 硬时钟和定时器

体系结构提供了两种设备进行计时--一种是前面讨论的系统定时器;另一种是实时时钟(RTC).

系统启动时,内核通过读RTC初始化墙上时间,并存放在xtime变量中.

10.5 时钟中断处理程序

时钟中断处理程序分两部分:体系结构相关部分和体系结构无关部分.

体系结构相关部分:

作为系统定时器的中断处理程序注册到内核中,以便在产生时钟中断时,它能够相应运行.最低限度的工作如下:

.获得xtime_lock锁,以便对访问jiffies_64和墙上时间xtime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例程do_timer()执行下面的工作:

.给jiffies_64变量增加1;

.更新资源的消耗的统计值,比如当前进程所消耗的系统时间和用户时间;

.执行到期的动态定时器;

.执行scheduler_tick()函数;

.更新墙上时间,该时间存放在xtime变量中;

.计算平均负载值

上述的各个动作离不开函数do_timer()函数.其示意代码如下:

void do_timer(struct pt_regs *regs)

{

jiffies_64++;

update_process_times(user_mode(regs));

update_times();

}

void update_process_times(int user_tick)

{

struct task_struct *p = current;

int cpu = smp_processor_id(), system = user_tick ^ 1;

update_one_process(p, user_tick, system, cpu);

run_local_timers();

scheduler_tick(user_tick, system);

}

void run_local_timers(void)

{

raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ);

}

因此,定时器其实也是靠软中断实现的.

10.6 实际时间

当前实际时间(墙上时间)定义在文件kernel/timer.c中,记录于变量xtime变量里面:

Struct timespec xtime;

Timespec数据结构定义在文件<linux/time.h>中,如下:

Struct timespec

{

Time_t tv_sec;

Long tv_nsec;

}

读写xtime变量需要使用xtime_lock锁,该锁是一个seqlock锁.

写xtime变量:

Write_seqlock(&xtime_lock);

/*更新xtime变量*/

Write_sequnlock(&xtime_lock);

读xtime变量:

{

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));

对于实际时间,采用seq锁十分合理,因为实际时间会被很多程序调用.

内核也会对变量xtime使用,例如在文件系统的实现代码中存放的访问时间戳(创建、存取、修改等)需要使用xtime变量.

10.7 定时器

LINUX下的定时器并不周期运行,超时后自动销毁.

10.7.1 结构体

Struct timer_list

{

Struct list_head entry; //定时器链表的入口

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; //传给定时器处理函数的长整形参数

Struct tvec_t_base_s *base; //定时器内部值,用户不要使用

}

[注:]此结构体不宜过于深入理解.

定义:

Struct timer_list my_timer;

初始化:

Init_timer(&my_timer);

填充用户信息:

My_timer.expires = jiffies + delay; //jiffies的值大于等于my_timer.expires

My_timer.data = 0; //传给定时器处理函数的参数

My_timer.function = my_function; //定时器处理函数的参数

定时器处理函数形式:

Void my_timer_function(unsigned long data);

激活定时器:

Add_timer(&my_timer);

[注:]一般来说,定时器都在超时后马上执行,但是也有可能被推迟到下一次时钟节拍时才能运行,所以不能用定时器来实现任何硬件实时任务.

更改已经激活的定时器超时时间:

Mod_timer(&my_timer,jiffies+new_delay);

停止定时器:

Del_timer(&my_timer);

Del_timer_sync(&my_timer); //不能在中断上下文使用,确保同步.优先使用

10.8 延迟执行

上述的定时器或前面讲述的下半部机制可以实现延迟执行的动作.下面再总结几种推迟执行的方案:

10.8.1 忙等待

使用的示意代码如下,但是这种方案并不推荐使用:

Unsigned long delay = jiffies + 10;

While(time_before(jiffies,delay))

;

循环不断执行,直到jiffies大于delay为止.这里为10个节拍,对于HZ=1000的体系结构而言,耗时10毫秒.

作为上述方案的改进方案:

Unsigned long delay = jiffies + 5*HZ;

Whiel(time_before(jiffies,delay))

Cond_resched();

Cond_resched()函数将调度一个新程序投入运行.

[注:]延迟执行不管在哪种情况下都不应该在持有锁或禁止中断时发生.

10.8.2 短延迟

有时内核代码需要很短的延迟而且要求也比较精准.这时候就不能基于时钟节拍来实现,因为像HZ=100的体系结构(如ARM),一个时钟节拍就是10毫秒.对于一些时序仿真是达不了要求的.LINUX为很短且精准的延迟提供了如下函数:

Void udelay(unsigned long usecs);

Void mdelay(unsigned long msecs);

[注:]非不得已,不要在持有锁或禁止中断时用忙等待,会使系统响应速度和性能大打折扣.

[阅读材料]:

BogoMIPS:

BogoMIPS值记录处理器在给定时间忙循环执行次数.其记录的是处理器在空闲时速度有多快!该值存放在变量loops_per_jiffy中,可以从文件/proc/cpuinfo中读到它.内核启动时复用calibrate_delay()计算loops_per_jiffy值.如内核启动时我们可以看到以下字样: