《Linux内核设计与实现》读书笔记- 定时器和时间管理
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了《Linux内核设计与实现》读书笔记- 定时器和时间管理相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
系统中有很多与时间相关的程序(比如定期执行的任务,某一时间执行的任务,推迟一段时间执行的任务),因此,时间的管理对于linux来说非常重要。
主要内容:
- 系统时间
- 定时器
- 定时器相关概念
- 定时器执行流程
- 实现程序延迟的方法
- 定时器和延迟的例子
1. 系统时间
系统中管理的时间有2种:实际时间和定时器。
1.1 实际时间
实际时间就是现实中钟表上显示的时间,其实内核中并不常用这个时间,主要是用户空间的程序有时需要获取当前时间,
所以内核中也管理着这个时间。
实际时间的获取是在开机后,内核初始化时从RTC读取的。
内核读取这个时间后就将其放入内核中的 xtime 变量中,并且在系统的运行中不断更新这个值。
注:RTC就是实时时钟的缩写,它是用来存放系统时间的设备。一般和Bios一样,由主板上的电池供电的,所以即使关机也可将时间保存。
实际时间存放的变量 xtime 在文件 kernel/time/timekeeping.c中。
/* 按照16位对齐,其实就是2个long型的数据 */ struct timespec xtime __attribute__ ((aligned (16))); /* timespec结构体的定义如下, 参考 <linux/time.h> */ struct timespec { __kernel_time_t tv_sec; /* seconds */ long tv_nsec; /* nanoseconds */ }; /* _kernel_time_t 定义如下 */ typedef long __kernel_time_t;
系统读写 xtime 时用的就是顺序锁。
/* 写入 xtime 参考 do_sometimeofday 方法 */ int do_settimeofday(struct timespec *tv) { /* 省略 。。。。 */ write_seqlock_irqsave(&xtime_lock, flags); /* 获取写锁 */ /* 更新 xtime */ write_sequnlock_irqrestore(&xtime_lock, flags); /* 释放写锁 */ /* 省略 。。。。 */ return 0; } /* 读取 xtime 参考 do_gettimeofday 方法 */ void do_gettimeofday(struct timeval *tv) { struct timespec now; getnstimeofday(&now); /* 就是在这个方法中获取读锁,并读取 xtime */ tv->tv_sec = now.tv_sec; tv->tv_usec = now.tv_nsec/1000; } void getnstimeofday(struct timespec *ts) { /* 省略 。。。。 */ /* 顺序锁中读锁来循环获取 xtime,直至读取过程中 xtime 没有被改变过 */ do { seq = read_seqbegin(&xtime_lock); *ts = xtime; nsecs = timekeeping_get_ns(); /* If arch requires, add in gettimeoffset() */ nsecs += arch_gettimeoffset(); } while (read_seqretry(&xtime_lock, seq)); /* 省略 。。。。 */ }
上述场景中,写锁必须要优先于读锁(因为 xtime 必须及时更新),而且写锁的使用者很少(一般只有系统定期更新xtime的线程需要持有这个锁)。
这正是 顺序锁的应用场景。
1.2 定时器
定时器是内核中主要使用的时间管理方法,通过定时器,可以有效的调度程序的执行。
动态定时器是内核中使用比较多的定时器,下面重点讨论的也是动态定时器。
2. 定时器
内核中的定时器有2种,静态定时器和动态定时器。
静态定时器一般执行了一些周期性的固定工作:
- 更新系统运行时间
- 更新实际时间
- 在SMP系统上,平衡各个处理器上的运行队列
- 检查当前进程是否用尽了自己的时间片,如果用尽,需要重新调度。
- 更新资源消耗和处理器时间统计值
动态定时器顾名思义,是在需要时(一般是推迟程序执行)动态创建的定时器,使用后销毁(一般都是只用一次)。
一般我们在内核代码中使用的定时器基本都是动态定时器,下面重点讨论动态定时器相关的概念和使用方法。
3. 定时器相关概念
定时器的使用中,下面3个概念非常重要:
- HZ
- jiffies
- 时间中断处理程序
3.1 HZ
节拍率(HZ)是时钟中断的频率,表示的一秒内时钟中断的次数。
比如 HZ=100 表示一秒内触发100次时钟中断程序。
HZ的值一般与体系结构有关,x86 体系结构一般定义为 100,参考文件 include/asm-generic/param.h
HZ值的大小的设置过程其实就是平衡 精度和性能 的过程,并不是HZ值越高越好。
HZ值 |
优势 |
劣势 |
高HZ | 时钟中断程序运行的更加频繁,依赖时间执行的程序更加精确, 对资源消耗和系统运行时间的统计更加精确。 |
时钟中断执行的频繁,增加系统负担 时钟中断占用的CPU时间过多 |
此外,有一点需要注意,内核中使用的HZ可能和用户空间中定义的HZ值不一致,为了避免用户空间取得错误的时间,
内核中也定义了 USER_HZ,即用户空间使用的HZ值。
一般来说,USER_HZ 和 HZ 都是相差整数倍,内核中通过函数 jiffies_to_clock_t 来将内核来将内核中的 jiffies转为 用户空间 jiffies
/* 参见文件: kernel/time.c * //* * Convert jiffies/jiffies_64 to clock_t and back. */ clock_t jiffies_to_clock_t(unsigned long x) { #if (TICK_NSEC % (NSEC_PER_SEC / USER_HZ)) == 0 # if HZ < USER_HZ return x * (USER_HZ / HZ); # else return x / (HZ / USER_HZ); # endif #else return div_u64((u64)x * TICK_NSEC, NSEC_PER_SEC / USER_HZ); #endif } EXPORT_SYMBOL(jiffies_to_clock_t);
3.2 jiffies
jiffies用来记录自系统启动以来产生的总节拍数。比如系统启动了 N 秒,那么 jiffies就为 N×HZ
jiffies的相关定义参考头文件 <linux/jiffies.h> include/linux/jiffies.h
/* 64bit和32bit的jiffies定义如下 */ extern u64 __jiffy_data jiffies_64; extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;
使用定时器时一般都是以jiffies为单位来延迟程序执行的,比如延迟5个节拍后执行的话,执行时间就是 jiffies+5
32位的jiffies的最大值为 2^32-1,在使用时有可能会出现回绕的问题。
比如下面的代码:
unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 设置超时时间为 0.5秒 */ while (timeout < jiffies) { /* 还没有超时,继续执行任务 */ } /* 执行超时后的任务 */
正常情况下,上面的代码没有问题。当jiffies接近最大值的时候,就会出现回绕问题。
由于是unsinged long类型,所以jiffies达到最大值后会变成0然后再逐渐变大,如下图所示:
所以在上述的循环代码中,会出现如下情况:
- 循环中第一次比较时,jiffies = J1,没有超时
- 循环中第二次比较时,jiffies = J2,实际已经超时了,但是由于jiffies超过的最大值后又从0开始,所以J2远远小于timeout
- while循环会执行很长时间(> 2^32-1 个节拍)不会结束,几乎相当于死循环了
为了回避回扰的问题,可以使用<linux/jiffies.h>头文件中提供的 time_after,time_before等宏
#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) #define time_after_eq(a,b) \\ (typecheck(unsigned long, a) && \\ typecheck(unsigned long, b) && \\ ((long)(a) - (long)(b) >= 0)) #define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)
上述代码的原理其实就是将 unsigned long 类型转换为 long 类型来避免回扰带来的错误,
long 类型超过最大值时变化趋势如下:
long 型的数据的回绕会出现在 2^31-1 变为 -2^32 的时候,如下图所示:
- 第一次比较时,jiffies = J1,没有超时
- 第二次比较时,jiffies = J2,一般 J2 是负数
理论上 (long)timeout - (long)J2 = 正数 - 负数 = 正数(result)
但是,这个正数(result)一般会大于 2^31 - 1,所以long型的result又发生了一次回绕,变成了负数。
除非timeout和J2之间的间隔 > 2^32 个节拍,result的值才会为正数(注1)。
注1:result的值为正数时,必须是在result的值 小于 2^31-1 的情况下,大于 2^31-1 会发生回绕。
上图中 X + Y 表示timeout 和 J2之间经过的节拍数。
result 小于 2^31-1 ,也就是 timeout - J2 < 2^31 – 1
timeout 和 -J2 表示的节拍数如上图所示。(因为J2是负数,所有-J2表示上图所示范围的值)
因为 timeout + X + Y - J2 = 2^31-1 + 2^32
所以 timeout - J2 < 2^31 - 1 时, X + Y > 2^32
也就是说,当timeout和J2之间经过至少 2^32 个节拍后,result才可能变为正数。
timeout和J2之间相差这么多节拍是不可能的(不信可以用HZ将这些节拍换算成秒就知道了。。。)
利用time_after宏就可以巧妙的避免回绕带来的超时判断问题,将之前的代码改成如下代码即可:
unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 设置超时时间为 0.5秒 */ while (time_after(jiffies, timeout)) { /* 还没有超时,继续执行任务 */ } /* 执行超时后的任务 */
3.3 时钟中断处理程序
时钟中断处理程序作为系统定时器而注册到内核中,体系结构的不同,可能时钟中断处理程序中处理的内容不同。
但是以下这些基本的工作都会执行:
- 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
- 周期性的使用墙上时间更新实时时钟
- 调用 tick_periodic()
tick_periodic函数位于: kernel/time/tick-common.c 中
static void tick_periodic(int cpu) { if (tick_do_timer_cpu == cpu) { write_seqlock(&xtime_lock); /* Keep track of the next tick event */ tick_next_period = ktime_add(tick_next_period, tick_period); do_timer(1); write_sequnlock(&xtime_lock); } update_process_times(user_mode(get_irq_regs())); profile_tick(CPU_PROFILING); }
其中最重要的是 do_timer 和 update_process_times 函数。
我了解的步骤进行了简单的注释。
void do_timer(unsigned long ticks) { /* jiffies_64 增加指定ticks */ jiffies_64 += ticks; /* 更新实际时间 */ update_wall_time(); /* 更新系统的平均负载值 */ calc_global_load(); } void update_process_times(int user_tick) { struct task_struct *p = current; int cpu = smp_processor_id(); /* 更新当前进程占用CPU的时间 */ account_process_tick(p, user_tick); /* 同时触发软中断,处理所有到期的定时器 */ run_local_timers(); rcu_check_callbacks(cpu, user_tick); printk_tick(); /* 减少当前进程的时间片数 */ scheduler_tick(); run_posix_cpu_timers(p); }
4. 定时器执行流程
这里讨论的定时器执行流程是动态定时器的执行流程。
4.1 定时器的定义
定时器在内核中用一个链表来保存的,链表的每个节点都是一个定时器。
参见头文件 <linux/timer.h>
struct timer_list { struct list_head entry; unsigned long expires; void (*function)(unsigned long); unsigned long data; struct tvec_base *base; #ifdef CONFIG_TIMER_STATS void *start_site; char start_comm[16]; int start_pid; #endif #ifdef CONFIG_LOCKDEP struct lockdep_map lockdep_map; #endif };
通过加入条件编译的参数,可以追加一些调试信息。
4.2 定时器的生命周期
一个动态定时器的生命周期中,一般会经过下面的几个步骤:
1. 初始化定时器:
struct timer_list my_timer; /* 定义定时器 */ init_timer(&my_timer); /* 初始化定时器 */
2. 填充定时器:
my_timer.expires = jiffies + delay; /* 定义超时的节拍数 */ my_timer.data = 0; /* 给定时器函数传入的参数 */ my_timer.function = my_function; /* 定时器超时时,执行的自定义函数 */ /* 从定时器结构体中,我们可以看出这个函数的原型应该如下所示: */ void my_function(unsigned long data);
3. 激活定时器和修改定时器:
激活定时器之后才会被触发,否则定时器不会执行。
修改定时器主要是修改定时器的延迟时间,修改定时器后,不管原先定时器有没有被激活,都会处于激活状态。
填充定时器结构之后,可以只激活定时器,也可以只修改定时器,也可以激活定时器后再修改定时器。
所以填充定时器结构和触发定时器之间的步骤,也就是虚线框中的步骤是不确定的。
add_timer(&my_timer); /* 激活定时器 */ mod_timer(&my_timer, jiffies + new_delay); /* 修改定时器,设置新的延迟时间 */
4. 触发定时器:
每次时钟中断处理程序会检查已经激活的定时器是否超时,如果超时就执行定时器结构中的自定义函数。
5. 删除定时器:
激活和未被激活的定时器都可以被删除,已经超时的定时器会自动删除,不用特意去删除。
/* * 删除激活的定时器时,此函数返回1 * 删除未激活的定时器时,此函数返回0 */ del_timer(&my_timer);
在多核处理器上用 del_timer 函数删除定时器时,可能在删除时正好另一个CPU核上的时钟中断处理程序正在执行这个定时器,于是就形成了竞争条件。
为了避免竞争条件,建议使用 del_timer_sync 函数来删除定时器。
del_timer_sync 函数会等待其他处理器上的定时器处理程序全部结束后,才删除指定的定时器。
/* * 和del_timer 不同,del_timer_sync 不能在中断上下文中执行 */ del_timer_sync(&my_timer);
5. 实现程序延迟的方法
内核中有个利用定时器实现延迟的函数 schedule_timeout
这个函数会将当前的任务睡眠到指定时间后唤醒,所以等待时不会占用CPU时间。
/* 将任务设置为可中断睡眠状态 */ set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /* 小睡一会儿,“s“秒后唤醒 */ schedule_timeout(s*HZ);
查看 schedule_timeout 函数的实现方法,可以看出是如何使用定时器的。
signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout) { /* 定义一个定时器 */ struct timer_list timer; unsigned long expire; switch (timeout) { case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT: /* * These two special cases are useful to be comfortable * in the caller. Nothing more. We could take * MAX_SCHEDULE_TIMEOUT from one of the negative value * but I\' d like to return a valid offset (>=0) to allow * the caller to do everything it want with the retval. */ schedule(); goto out; default: /* * Another bit of PARANOID. Note that the retval will be * 0 since no piece of kernel is supposed to do a check * for a negative retval of schedule_timeout() (since it * should never happens anyway). You just have the printk() * that will tell you if something is gone wrong and where. */ if (timeout < 0) { printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout " "value %lx\\n", timeout); dump_stack(); current->state = TASK_RUNNING; goto out; } } /* 设置超时时间 */ expire = timeout + jiffies; /* 初始化定时器,超时处理函数是 process_timeout,后面再补充说明一下这个函数 */ setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current); /* 修改定时器,同时会激活定时器 */ __mod_timer(&timer, expire, false, TIMER_NOT_PINNED); /* 将本任务睡眠,调度其他任务 */ schedule(); /* 删除定时器,其实就是 del_timer_sync 的宏 del_singleshot_timer_sync(&timer); /* Remove the timer from the object tracker */ destroy_timer_on_stack(&timer); timeout = expire - jiffies; out: return timeout < 0 ? 0 : timeout; } EXPORT_SYMBOL(schedule_timeout); /* * 超时处理函数 process_timeout 里面只有一步操作,唤醒当前任务。 * process_timeout 的参数其实就是 当前任务的地址 */ static void process_timeout(unsigned long __data) { wake_up_process((struct task_struct *)__data); }
schedule_timeout 一般用于延迟时间较长的程序。
这里的延迟时间较长是对于计算机而言的,其实也就是延迟大于 1 个节拍(jiffies)。
对于某些极其短暂的延迟,比如只有1ms,甚至1us,1ns的延迟,必须使用特殊的延迟方法。
1s = 1000ms = 1000000us = 1000000000ns (1秒=1000毫秒=1000000微秒=1000000000纳秒)
假设 HZ=100,那么 1个节拍的时间间隔是 1/100秒,大概10ms左右。
所以对于那些极其短暂的延迟,schedule_timeout 函数是无法使用的。
好在内核对于这些短暂,精确的延迟要求也提供了相应的宏。
/* 具体实现参见 include/linux/delay.h * 以及 arch/x86/include/asm/delay.h */ #define mdelay(n) ... #define udelay(n) ... #define ndelay(n) ...
通过这些宏,可以简单的实现延迟,比如延迟 5ns,只需 ndelay(5); 即可。
这些短延迟的实现原理并不复杂,
首先,内核在启动时就计算出了当前处理器1秒能执行多少次循环,即 loops_per_jiffy
(loops_per_jiffy 的计算方法参见 init/main.c 文件中的 calibrate_delay 方法)。
然后算出延迟 5ns 需要循环多少次,执行那么多次空循环即可达到延迟的效果。
loops_per_jiffy 的值可以在启动信息中看到:
[root@vbox ~]# dmesg | grep delay Calibrating delay loop (skipped), value calculated using timer frequency.. 6387.58 BogoMIPS (lpj=3193792)
我的虚拟机中看到 (lpj=3193792)
6. 定时器和延迟的例子
下面的例子测试了短延迟,自定义定时器以及 schedule_timeout 的使用:
#include <linux/sched.h> #include <linux/timer.h> #include <linux/jiffies.h> #include <asm/param.h> #include <linux/delay.h> #include "kn_common.h" MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); static void test_short_delay(void); static void test_delay(void); static void test_schedule_timeout(void); static void my_delay_function(unsigned long); static int testdelay_init(void) { printk(KERN_ALERT "HZ in current system: %dHz\\n", HZ); /* test short delay */ test_short_delay(); /* test delay */ test_delay(); /* test schedule timeout */ test_schedule_timeout(); return 0; } static void testdelay_exit(void) { printk(KERN_ALERT "*************************\\n"); print_current_time(0); printk(KERN_ALERT "testdelay is exited!\\n"); printk(KERN_ALERT "*************************\\n"); } static void test_short_delay() { printk(KERN_ALERT "jiffies [b e f o r e] short delay: %lu", jiffies); ndelay(5); printk(KERN_ALERT "jiffies [a f t e r] short delay: %lu", jiffies); } static void test_delay() { /* 初始化定时器 */ struct timer_list my_timer; init_timer(&my_timer); /* 填充定时器 */ my_timer.expires = jiffies + 1*HZ; /* 2秒后超时函数执行 */ my_timer.data = jiffies; my_timer.function = my_delay_function; /* 激活定时器 */ add_timer(&my_timer); } static void my_delay_function(unsigned long data) { printk(KERN_ALERT "This is my delay function start......\\n"); printk(KERN_ALERT "The jiffies when init timer: %lu\\n", data); printk(KERN_ALERT "The jiffies when timer is running: %lu\\n", jiffies); printk(KERN_ALERT "This is my delay function end........\\n"); } static void test_schedule_timeout() { printk(KERN_ALERT "This sample start at : %lu", jiffies); /* 睡眠2秒 */ set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); printk(KERN_ALERT "sleep 2s ....\\n"); schedule_timeout(2*HZ); printk(KERN_ALERT "This sample end at : %lu", jiffies); } module_init(testdelay_init); module_exit(testdelay_exit);
其中用到的 kn_common.h 和 kn_common.c 参见之前的博客 《Linux内核设计与实现》读书笔记(六)- 内核数据结构
Makefile如下:
# must complile on customize kernel obj-m += mydelay.o mydelay-objs := testdelay.o kn_common.o #generate the path CURRENT_PATH:=$(shell pwd) #the current kernel version number LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r) #the absolute path LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/kernels/$(LINUX_KERNEL) #complie object all: make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c .tmp_versions *.unsigned #clean clean: rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions *.unsigned
执行测试命令及查看结果的方法如下:(我的测试系统是 CentOS 6.3 x64)
[root@vbox chap11]# make [root@vbox chap11]# insmod mydelay.ko [root@vbox chap11]# rmmod mydelay.ko [root@vbox chap11]# dmesg | tail -14 HZ in current system: 1000Hz jiffies [b e f o r e] short delay: 4296079617 jiffies [a f t e r] short delay: 4296079617 This sample start at : 4296079619 sleep 2s .... This is my delay function start...... The jiffies when init timer: 4296079619 The jiffies when timer is running: 4296080621 This is my delay function end........ This sample end at : 4296081622 ************************* 2013-5-9 23:7:20 testdelay is exited! *************************
结果说明:
1. 短延迟只延迟了 5ns,所以执行前后的jiffies是一样的。
jiffies [b e f o r e] short delay: 4296079617 jiffies [a f t e r] short delay: 4296079617
2. 自定义定时器延迟了1秒后执行自定义函数,由于我的系统 HZ=1000,所以jiffies应该相差1000
The jiffies when init timer: 4296079619 The jiffies when timer is running: 4296080621
实际上jiffies相差了 1002,多了2个节拍
3. schedule_timeout 延迟了2秒,jiffies应该相差 2000
This sample start at : 4296079619 This sample end at : 4296081622
实际上jiffies相差了 2003,多了3个节拍
以上结果也说明了定时器的延迟并不是那么精确,差了2,3个节拍其实就是误差2,3毫秒(因为HZ=1000)
如果HZ=100的话,一个节拍是10毫秒,那么定时器的误差可能就发现不了了(误差只有2,3毫秒,没有超多1个节拍)。
以上是关于《Linux内核设计与实现》读书笔记- 定时器和时间管理的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章