Linux时间子系统之一：定时器的应用

我们知道低分辨率定时器和高精度定时器的实现原理，内核为了方便其它子系统，在时间子系统中提供了一些用于延时或调度的API，例如msleep，hrtimer_nanosleep等等，这些API基于低分辨率定时器或高精度定时器来实现，本章的内容就是讨论这些方便、好用的API是如何利用定时器系统来完成所需的功能的。

1.  msleep

msleep相信大家都用过，它可能是内核用使用最广泛的延时函数之一，它会使当前进程被调度并让出cpu一段时间，因为这一特性，它不能用于中断上下文，只能用于进程上下文中。要想在中断上下文中使用延时函数，请使用会阻塞cpu的无调度版本mdelay。msleep的函数原型如下：

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void msleep(unsigned int msecs)  

延时的时间由参数msecs指定，单位是毫秒，事实上，msleep的实现基于低分辨率定时器，所以msleep的实际精度只能也是1/HZ级别。内核还提供了另一个比较类似的延时函数msleep_interruptible：

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unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs)  

延时的单位同样毫秒数，它们的区别如下：

函数延时单位返回值是否可被信号中断msleep毫秒无否msleep_interruptible毫秒未完成的毫秒数是最主要的区别就是msleep会保证所需的延时一定会被执行完，而msleep_interruptible则可以在延时进行到一半时被信号打断而退出延时，剩余的延时数则通过返回值返回。两个函数最终的代码都会到达schedule_timeout函数，它们的调用序列如下图所示：
                                             

图1.1  两个延时函数的调用序列

下面我们看看schedule_timeout函数的实现，函数首先处理两种特殊情况，一种是传入的延时jiffies数是个负数，则打印一句警告信息，然后马上返回，另一种是延时jiffies数是MAX_SCHEDULE_TIMEOUT，表明需要一直延时，直接执行调度即可：

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signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout)  

{  

struct timer_list timer;  

unsigned long expire;  

switch (timeout)  

{  

case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:  

schedule();  

goto out;  

default:  

if (timeout < 0) {  

printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "  

"value %lx\n", timeout);  

dump_stack();  

current->state = TASK_RUNNING;  

goto out;  

}  

}  

然后计算到期的jiffies数，并在堆栈上建立一个低分辨率定时器，把到期时间设置到该定时器中，启动定时器后，通过schedule把当前进程调度出cpu的运行队列：

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expire = timeout + jiffies;  

setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current);  

__mod_timer(&timer, expire, false, TIMER_NOT_PINNED);  

schedule();  

到这个时候，进程已经被调度走，那它如何返回继续执行？我们看到定时器的到期回调函数是process_timeout，参数是当前进程的task_struct指针，看看它的实现：

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static void process_timeout(unsigned long __data)  

{  

wake_up_process((struct task_struct *)__data);  

}  

噢，没错，定时器一旦到期，进程会被唤醒并继续执行：

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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;  

}  

schedule返回后，说明要不就是定时器到期，要不就是因为其它时间导致进程被唤醒，函数要做的就是删除在堆栈上建立的定时器，返回剩余未完成的jiffies数。

说完了关键的schedule_timeout函数，我们看看msleep如何实现：

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signed long __sched schedule_timeout_uninterruptible(signed long timeout)  

{  

__set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);  

return schedule_timeout(timeout);  

}  

void msleep(unsigned int msecs)  

{  

unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1;  

while (timeout)  

timeout = schedule_timeout_uninterruptible(timeout);  

}  

msleep先是把毫秒转换为jiffies数，通过一个while循环保证所有的延时被执行完毕，延时操作通过schedule_timeout_uninterruptible函数完成，它仅仅是在把进程的状态修改为TASK_UNINTERRUPTIBLE后，调用上述的schedule_timeout来完成具体的延时操作，TASK_UNINTERRUPTIBLE状态保证了msleep不会被信号唤醒，也就意味着在msleep期间，进程不能被kill掉。

看看msleep_interruptible的实现：

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signed long __sched schedule_timeout_interruptible(signed long timeout)  

{  

__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  

return schedule_timeout(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);  

}  

msleep_interruptible通过schedule_timeout_interruptible中转，schedule_timeout_interruptible的唯一区别就是把进程的状态设置为了TASK_INTERRUPTIBLE，说明在延时期间有信号通知，while循环会马上终止，剩余的jiffies数被转换成毫秒返回。实际上，你也可以利用schedule_timeout_interruptible或schedule_timeout_uninterruptible构造自己的延时函数，同时，内核还提供了另外一个类似的函数，不用我解释，看代码就知道它的用意了：

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signed long __sched schedule_timeout_killable(signed long timeout)  

{  

__set_current_state(TASK_KILLABLE);  

return schedule_timeout(timeout);  

}  

2.  hrtimer_nanosleep

第一节讨论的msleep函数基于时间轮定时系统，只能提供毫秒级的精度，实际上，它的精度取决于HZ的配置值，如果HZ小于1000，它甚至无法达到毫秒级的精度，要想得到更为精确的延时，我们自然想到的是要利用高精度定时器来实现。没错，linux为用户空间提供了一个api：nanosleep，它能提供纳秒级的延时精度，该用户空间函数对应的内核实现是sys_nanosleep，它的工作交由高精度定时器系统的hrtimer_nanosleep函数实现，最终的大部分工作则由do_nanosleep完成。调用过程如下图所示：

图  2.1  nanosleep的调用过程

与msleep的实现相类似，hrtimer_nanosleep函数首先在堆栈中创建一个高精度定时器，设置它的到期时间，然后通过do_nanosleep完成最终的延时工作，当前进程在挂起相应的延时时间后，退出do_nanosleep函数，销毁堆栈中的定时器并返回0值表示执行成功。不过do_nanosleep可能在没有达到所需延时数量时由于其它原因退出，如果出现这种情况，hrtimer_nanosleep的最后部分把剩余的延时时间记入进程的restart_block中，并返回ERESTART_RESTARTBLOCK错误代码，系统或者用户空间可以根据此返回值决定是否重新调用nanosleep以便把剩余的延时继续执行完成。下面是hrtimer_nanosleep的代码：

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long hrtimer_nanosleep(struct timespec *rqtp, struct timespec __user *rmtp,  

const enum hrtimer_mode mode, const clockid_t clockid)  

{  

struct restart_block *restart;  

struct hrtimer_sleeper t;  

int ret = 0;  

unsigned long slack;  

slack = current->timer_slack_ns;  

if (rt_task(current))  

slack = 0;  

hrtimer_init_on_stack(&t.timer, clockid, mode);  

hrtimer_set_expires_range_ns(&t.timer, timespec_to_ktime(*rqtp), slack);  

if (do_nanosleep(&t, mode))  

goto out;  

/* Absolute timers do not update the rmtp value and restart: */  

if (mode == HRTIMER_MODE_ABS) {  

ret = -ERESTARTNOHAND;  

goto out;  

}  

if (rmtp) {  

ret = update_rmtp(&t.timer, rmtp);  

if (ret <= 0)  

goto out;  

}  

restart = ¤t_thread_info()->restart_block;  

restart->fn = hrtimer_nanosleep_restart;  

restart->nanosleep.clockid = t.timer.base->clockid;  

restart->nanosleep.rmtp = rmtp;  

restart->nanosleep.expires = hrtimer_get_expires_tv64(&t.timer);  

ret = -ERESTART_RESTARTBLOCK;  

out:  

destroy_hrtimer_on_stack(&t.timer);  

return ret;  

}  

接着我们看看do_nanosleep的实现代码，它首先通过hrtimer_init_sleeper函数，把定时器的回调函数设置为hrtimer_wakeup，把当前进程的task_struct结构指针保存在hrtimer_sleeper结构的task字段中：

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void hrtimer_init_sleeper(struct hrtimer_sleeper *sl, struct task_struct *task)  

{  

sl->timer.function = hrtimer_wakeup;  

sl->task = task;  

}  

EXPORT_SYMBOL_GPL(hrtimer_init_sleeper);  

static int __sched do_nanosleep(struct hrtimer_sleeper *t, enum hrtimer_mode mode)  

{  

hrtimer_init_sleeper(t, current);  

然后，通过一个do/while循环内：启动定时器，挂起当前进程，等待定时器或其它事件唤醒进程。这里的循环体实现比较怪异，它使用hrtimer_active函数间接地判断定时器是否到期，如果hrtimer_active返回false，说明定时器已经过期，然后把hrtimer_sleeper结构的task字段设置为NULL，从而导致循环体的结束，另一个结束条件是当前进程收到了信号事件，所以，当因为是定时器到期而退出时，do_nanosleep返回true，否则返回false，上述的hrtimer_nanosleep正是利用了这一特性来决定它的返回值。以下是do_nanosleep循环体的代码：

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do {  

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  

hrtimer_start_expires(&t->timer, mode);  

if (!hrtimer_active(&t->timer))  

t->task = NULL;  

if (likely(t->task))  

schedule();  

hrtimer_cancel(&t->timer);  

mode = HRTIMER_MODE_ABS;  

} while (t->task && !signal_pending(current));  

__set_current_state(TASK_RUNNING);  

return t->task == NULL;  

}  

除了hrtimer_nanosleep，高精度定时器系统还提供了几种用于延时/挂起进程的api：

schedule_hrtimeout    使得当前进程休眠指定的时间，使用CLOCK_MONOTONIC计时系统；

schedule_hrtimeout_range    使得当前进程休眠指定的时间范围，使用CLOCK_MONOTONIC计时系统；

schedule_hrtimeout_range_clock    使得当前进程休眠指定的时间范围，可以自行指定计时系统；

usleep_range 使得当前进程休眠指定的微妙数，使用CLOCK_MONOTONIC计时系统；

它们之间的调用关系如下：

图 2.2  schedule_hrtimeout_xxxx系列函数

最终，所有的实现都会进入到schedule_hrtimeout_range_clock函数。需要注意的是schedule_hrtimeout_xxxx系列函数在调用前，最好利用set_current_state函数先设置进程的状态，在这些函数返回前，进城的状态会再次被设置为TASK_RUNNING。如果事先把状态设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE，它们会保证函数返回前一定已经经过了所需的延时时间，如果事先把状态设置为TASK_INTERRUPTIBLE，则有可能在尚未到期时由其它信号唤醒进程从而导致函数返回。主要实现该功能的函数schedule_hrtimeout_range_clock和前面的do_nanosleep函数实现原理基本一致。大家可以自行参考内核的代码，它们位于：kernel/hrtimer.c。