Linux hrtimer分析（一）

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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。