Linux内核中的延时函数详解

Posted 2022-09-26

内核中涉及的延时主要有两种实现方式：忙等待或者睡眠等待。前者阻塞程序，在延时时间到达前一直占用CPU，而后者是将进程挂起（置进程于睡眠状态并释放CPU资源）。所以，前者一般用在延时时间在毫秒以内的精确延时，后者用于延时时间在毫秒以上的长延时。为了充分利用 CPU 资源，使系统有更好的吞吐性能，在对延迟时间的要求并不是很精确的情况下，睡眠等待通常是值得推荐的。

1、忙等待短延时

内核中提供了如下3个函数用于纳秒、微秒和毫秒级的延时：

void ndelay(unsigned long nsecs); 
void udelay(unsigned long usecs); 
void mdelay(unsigned long msecs); //一般不建议直接使用mdelay()函数，这将无谓地耗费 CPU 资源

上述延迟的实现原理本质上是忙等待，它根据 CPU 频率进行一定次数的循环。其本质同如下代码：

void delay(unsigned int time) 
 
 while (time--); 

2、忙等待长延时函数

内核中进行延迟的一个很直观的方法是比较当前的 jiffies 和目标 jiffies（设置为当前 jiffies 加上时间间隔的 jiffies），直到未来的 jiffies 达到目标 jiffies。

• 利用jiffies和time_befor实现延时100个jiffies和2秒的代码：

/*延迟 100 个 jiffies*/ 
 unsigned long delay = jiffies + 100; 
 while (time_before(jiffies, delay)); 
 
 /*再延迟 2s*/ 
 unsigned long delay = jiffies + 2*HZ; 
 while (time_before(jiffies, delay));

其中，time_befor()只是一个函数宏，与其对应的还有一个time_after():

#define time_after(a,b)
 (typecheck(unsigned long, a) && \\ 
 typecheck(unsigned long, b) && \\ 
 ((long)(b) - (long)(a) < 0)) 

#define time_before(a,b) time_after(b,a)

3、睡眠短延时

3.1 sleep类延时函数

下述函数将使得调用它的进程睡眠参数指定的时间，受系统 HZ 和进程调度的影响，msleep()类似函数的精度是有限的。msleep()、ssleep()不能被打断，而msleep_interruptible()则可以被打断。

void msleep(unsigned int millisecs); 
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int millisecs); 
void ssleep(unsigned int seconds);

3.2 schedule类睡眠延时函数

signed long  schedule_timeout_interruptible(signed long timeout);

signed long  schedule_timeout_uninterruptible(signed long timeout)

schedule_timeout()可以使当前任务睡眠指定的jiffies 之后重新被调度执行，它的实现原理是向系统添加一个定时器，在定时器处理函数中唤醒参数对应的进程。上一小节的sleep类函数的底层实现也是调用它实现的：

void msleep(unsigned int msecs) 
 
  unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1; 
  while (timeout) 
    timeout = schedule_timeout_uninterruptible(timeout); 
 
 
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs) 
 
  unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1; 
  while (timeout && !signal_pending(current)) 
    timeout = schedule_timeout_interruptible(timeout); 
  return jiffies_to_msecs(timeout); //返回剩余的延时时间


signed long _ _sched schedule_timeout_interruptible(signed long timeout) 
 
  _ _set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); //置进程状态为 TASK_INTERRUPTIBLE
  return schedule_timeout(timeout); 
 
 
signed long _ _sched schedule_timeout_uninterruptible(signed long timeout) 
 
  _ _set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE); //置进程状态为 TASK_UNINTERRUPTIBLE
  return schedule_timeout(timeout); 

3.3 sleep_on类，在等待队列上睡眠的延时函数

函数可以将当前进程添加到等待队列中，从而在等待队列上睡眠。当超时发生时，进程将被唤醒（后者可以在超时前被打断）：

sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, unsigned long timeout); 

interruptible_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t*q, unsigned long timeout);