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1、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. msleepmsleep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mde
2、lay。msleep的函数原型如下：cppview plaincopyvoidmsleep(unsignedintmsecs)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：cppview plaincopyunsignedlongmsleep_interrupTIble(unsignedintmsecs)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_interrupT
3、Ible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：cp
4、pview plaincopysignedlong_schedschedule_timeout(signedlongtimeout)structtimer_listtimer;unsignedlongexpire;switch(timeout)caseMAX_SCHEDULE_TIMEOUT:schedule();gotoout;default:if(timeoutstate=TASK_RUNNING;gotoout;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：cppview
5、plaincopyexpire=timeout+jiffies;setup_timer_on_stack(_mod_timer(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：cppview plaincopystaticvoidprocess_timeout(unsignedlong_data)wake_up_process(structtask_struct*)_data);噢，没错，定时器一旦到期，进程会被唤醒并继续执行：cppview pla
6、incopydel_singleshot_timer_sync(/*Removethetimerfromtheobjecttracker*/destroy_timer_on_stack(timeout=expire-jiffies;out:returntimeouttimeout=schedule_timeout_interruptible(timeout);returnjiffies_to_msecs(timeout);msleep_interruptible通过schedule_timeout_interruptible中转，schedule_timeout_interruptible的唯
7、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：cppview plaincopysignedlong_schedschedule_timeout_killable(signedlongtimeout)_set_current_state(TASK
8、_KILLABLE);returnschedule_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_na
9、nosleep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
10、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：cppview plaincopylonghrtimer_nanosleep(structtimespec*rqtp,structtimespec_user*rmtp,constenumhrtimer_modemode,constclockid_tclockid)structrestart_block*restart;structhrtimer_sleepert;intret=0;unsignedlongslack;slack=current-
11、timer_slack_ns;if(rt_task(current)slack=0;hrtimer_init_on_stack(hrtimer_set_expires_range_ns(if(do_nanosleep(gotoout;/*Absolutetimersdonotupdatethermtpvalueandrestart:*/if(mode=HRTIMER_MODE_ABS)ret=-ERESTARTNOHAND;gotoout;if(rmtp)ret=update_rmtp(if(retrestart_block;restart-fn=hrtimer_nanosleep_resta
12、rt;restart-nanosleep.clockid=t.timer.base-clockid;restart-nanosleep.rmtp=rmtp;restart-nanosleep.expires=hrtimer_get_expires_tv64(ret=-ERESTART_RESTARTBLOCK;out:destroy_hrtimer_on_stack(returnret;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hr
13、timer_sleeper结构的task字段中：cppview plaincopyvoidhrtimer_init_sleeper(structhrtimer_sleeper*sl,structtask_struct*task)sl-timer.function=hrtimer_wakeup;sl-task=task;EXPORT_SYMBOL_GPL(hrtimer_init_sleeper);staticint_scheddo_nanosleep(structhrtimer_sleeper*t,enumhrtimer_modemode)hrtimer_init_sleeper(t,curr
14、ent);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
15、代码：cppview plaincopydoset_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);hrtimer_start_expires(if(!hrtimer_active(t-task=NULL;if(likely(t-task)schedule();hrtimer_cancel(mode=HRTIMER_MODE_ABS;while(t-task_set_current_state(TASK_RUNNING);returnt-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_hr
16、timeout 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_clo
17、ck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。