Linux hrtimer分析（一）

http://blog.csdn.net/angle_birds/article/details/17375883

本文分析了Linux2.6.29中hrtimer的实现。

Linux2.6中实现了一种新的定时器hrtimer。与传统定时器使用时间轮算法不同，hrtimer使用了红黑树算法。hrtimer本身可以配置成高精度和普通精度两种，在单CPU系统和多CPU系统中的实现也有区别。这里先分析最简单的配置成普通精度、单CPU的情况。配置成高精度的情况见后续文章。

1. 时钟源的定义

为了实现hrtimer，Linux为系统中每一个CPU定义了一个hrtimer_cpu_base，这个结构体的定义如下：

struct hrtimer_cpu_base {

spinlock_t                     lock;                                          // 自旋锁

// 时钟源

struct hrtimer_clock_base     clock_base[HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES];

// 所有到期的且配置为软中断的定时器，见下文

struct list_head              cb_pending;

#ifdef CONFIG_HIGH_RES_TIMERS        // 高精度配置，这里暂不考虑

ktime_t                         expires_next;

int                         hres_active;

unsigned long                nr_events;

#endif

};

在hrtimer.c中，有为每个CPU具体定义hrtimer_cpu_base的代码：

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,

},

}

};

可以看出，每个CPU都必须定义两个时钟源：REAL和MONOTONIC。

REAL代表实时时钟，MONOTONIC代表单调递增时钟。两者的区别在于，当用户更改计算机时间时，REAL时钟会收到影响，但MONOTONIC不受影响。这可以从它们两个的get_time函数指针看出来，REAL时钟指向的是ktime_get_real，MONOTONIC指向的是ktime_get。

时钟源的结构体定义为struct hrtimer_clock_base，其中有两个域struct rb_node       *first和struct rb_root   active，这两个域维护了hrtimer的红黑树。也就是说，每一个hrtimer_clock_base都维护了自己的一个红黑树。

hrtimer在初始化时，都需要加入到某一个时钟源的红黑树中，这个时钟源要么是REAL，要么是MONOTONIC，这个关联通过struct hrtimer的base域实现。

2. hrtimer的基本操作

Linux的传统定时器通过时间轮算法实现（timer.c），但hrtimer通过红黑树算法实现。在struct hrtimer里面有一个node域，类型为struct rb_node，这个域代表了hrtimer在红黑树中的位置。

hrtimer_start

hrtimer_start函数将一个hrtimer加入到一个按照到期时间排序的红黑树中，其主要流程为：

int hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode);

       // 根据time和mode参数的值计算hrtimer的超时时间，并设置到timer->expire域。

       // expire设置的是绝对时间，所以如果参数mode的值为HRTIMER_MODE_REL（即参数tim的值为相对时间），那么需要将tim的值修正为绝对时间：

       //     expire = tim + timer->base->get_time()。（注意本文只研究单CPU的情况）

       //调用enqueue_hrtimer，将hrtimer加入到红黑树中。

hrtimer的到期

hrtimer在hrtimer_run_queues函数中判断是否到期执行。hrtimer_run_queues的调用链为：Linux的系统时钟函数->update_process_times->run_local_timers->hrtimer_run_queues。

void hrtimer_run_queues(void)

       // 判断是否是高精度模式，如果是高精度模式，立即返回。本文暂不考虑这种情况。

       // 对每一个时钟源（REAL和MONOTONIC）的红黑树，按到期先后顺序检查hrtimer，看它们是否到期（将定时器与时钟源的softirq_time比较）。如果到期，就把这个到期的定时器取出，然后按照定时器的具体模式执行相应的操作：

l 如果定时器模式为HRTIMER_CB_SOFTIRQ，那么将定时器搬到hrtimer_cpu_base的cb_pending队列

l 调用__run_hrtimer，在__run_hrtimer中执行定时器的回调函数。

在没有配置高精度模式时，cb_pending队列中的定时器会在T_SOFTIRQ软中断中执行。调用链为

run_timer_softirq-> hrtimer_run_pending-> run_hrtimer_pending-> run_hrtimer_pending

hrtimer_cancel

hrtimer_cancel函数的作用是删除一个正在排队的定时器。这里分三种情况，一种是定时器已到期，并且设置了软中断模式；第二种是没有到期，还在红黑树中；第三种是定时器正在执行。

l 第一种情况，定时器被挂在hrtimer_cpu_base的cb_pending队列中，所以需要把它从pending队列中移出。

l 第二种情况，定时器还在红黑树中，那么把它从红黑树中移出。由于本文暂时只考虑高精度没有打开的情况，所以先不研究定时器正好排在红黑树第一个时的情况（即代码中调用hrtimer_force_reprogram函数的部分）。

l 第三种情况删除失败，hrtimer_cancel函数会循环重试，等到定时器执行完的时候再删除。（这在多CPU系统中可能会发生）

3. 未使能高精度模式时与传统timer的区别

l 传统timer使用时间轮算法，hrtimer使用红黑树算法。

l 传统timer在软中断中执行，hrtimer在硬中断中执行（update_process_times -> run_local_timers -> hrtimer_run_queues）。如果hrtimer设置了HRTIMER_CB_SOFTIRQ模式，那么timer会被移到pending队列，然后再由软中断执行。