Linux系统内核定时器机制详解（上）

Linux内核2.4版中去掉了老版本内核中的静态定时器机制，而只留下动态定时器。相应地在timer_bh()函数中也不再通过run_old_timers()函数来运行老式的静态定时器。动态定时器与静态定时器这二个概念是相对于 Linux内核定时器机制的可扩展功能而言的，动态定时器是指内核的定时器队列是可以动态变化的，然而就定时器本身而言，二者并无本质的区别。考虑到静态定时器机制的能力有限，因此Linux内核2.4版中完全去掉了以前的静态定时器机制。

7．6．1 Linux内核对定时器的描述

Linux在include/linux/timer.h头文件中定义了数据结构timer_list来描述一个内核定时器：

struct timer_list { 
struct list_head list; 
unsigned long expires; 
unsigned long data; 
void (*function)(unsigned long); 
};

各数据成员的含义如下：

（1）双向链表元素list：用来将多个定时器连接成一条双向循环队列。

（2）expires：指定定时器到期的时间，这个时间被表示成自系统启动以来的时钟滴答计数（也即时钟节拍数）。当一个定时器的expires值小于或等于jiffies变量时，我们就说这个定时器已经超时或到期了。在初始化一个定时器后，通常把它的expires域设置成当前expires变量的当前值加上某个时间间隔值（以时钟滴答次数计）。

（3）函数指针function：指向一个可执行函数。当定时器到期时，内核就执行function所指定的函数。而data域则被内核用作function函数的调用参数。

内核函数init_timer()用来初始化一个定时器。实际上，这个初始化函数仅仅将结构中的list成员初始化为空。如下所示（include/linux/timer.h）：

static inline void init_timer(struct timer_list * timer) 
{ 
timer->list.next = timer->list.prev = NULL; 
}

由于定时器通常被连接在一个双向循环队列中等待执行（此时我们说定时器处于pending状态）。因此函数time_pending()就可以用list成员是否为空来判断一个定时器是否处于pending状态。如下所示

（include/linux/timer.h）： 
static inline int timer_pending (const struct timer_list * timer) 
{ 
return timer->list.next != NULL; 
}

时间比较操作

在定时器应用中经常需要比较两个时间值，以确定timer是否超时，所以Linux 内核在timer.h头文件中定义了4个时间关系比较操作宏。这里我们说时刻a在时刻b之后，就意味着时间值a≥b。Linux强烈推荐用户使用它所定义的下列4个时间比较操作宏（include/linux/timer.h）：

#define time_after(a,b) ((long)(b) - (long)(a) < 0) 
#define time_before(a,b) time_after(b,a) 

#define time_after_eq(a,b) ((long)(a) - (long)(b) >= 0) 
#define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)

7．6．2 动态内核定时器机制的原理

Linux是怎样为其内核定时器机制提供动态扩展能力的呢？其关键就在于“定时器向量”的概念。所谓“定时器向量”就是指这样一条双向循环定时器队列（对列中的每一个元素都是一个timer_list结构）：对列中的所有定时器都在同一个时刻到期，也即对列中的每一个timer_list结构都具有相同的expires值。显然，可以用一个timer_list结构类型的指针来表示一个定时器向量。

显然，定时器expires成员的值与jiffies变量的差值决定了一个定时器将在多长时间后到期。在32位系统中，这个时间差值的最大值应该是0xffffffff。因此如果是基于“定时器向量”基本定义，内核将至少要维护 0xffffffff个timer_list结构类型的指针，这显然是不现实的。

另一方面，从内核本身这个角度看，它所关心的定时器显然不是那些已经过期而被执行过的定时器（这些定时器完全可以被丢弃），也不是那些要经过很长时间才会到期的定时器，而是那些当前已经到期或者马上就要到期的定时器（注意！时间间隔是以滴答次数为计数单位的）。

基于上述考虑，并假定一个定时器要经过interval个时钟滴答后才到期（interval＝expires－jiffies），则Linux采用了下列思想来实现其动态内核定时器机制：对于那些0≤interval≤255 的定时器，Linux严格按照定时器向量的基本语义来组织这些定时器，也即Linux内核最关心那些在接下来的255个时钟节拍内就要到期的定时器，因此将它们按照各自不同的expires值组织成256个定时器向量。而对于那些256≤interval≤0xffffffff的定时器，由于他们离到期还有一段时间，因此内核并不关心他们，而是将它们以一种扩展的定时器向量语义（或称为“松散的定时器向量语义”）进行组织。所谓“松散的定时器向量语义”就是指：各定时器的expires值可以互不相同的一个定时器队列。

具体的组织方案可以分为两大部分：

（1）对于内核最关心的、interval值在［0，255］之间的前256个定时器向量，内核是这样组织它们的：这256个定时器向量被组织在一起组成一个定时器向量数组，并作为数据结构timer_vec_root的一部分，该数据结构定义在kernel/timer.c文件中，如下述代码段所示：

/* 
* Event timer code 
*/ 
#define TVN_BITS 6 
#define TVR_BITS 8 
#define TVN_SIZE (1 << TVN_BITS) 
#define TVR_SIZE (1 << TVR_BITS) 
#define TVN_MASK (TVN_SIZE - 1) 
#define TVR_MASK (TVR_SIZE - 1) 

struct timer_vec { 
int index; 
struct list_head vec[TVN_SIZE]; 
}; 

struct timer_vec_root { 
int index; 
struct list_head vec[TVR_SIZE]; 
}; 

static struct timer_vec tv5; 
static struct timer_vec tv4; 
static struct timer_vec tv3; 
static struct timer_vec tv2; 
static struct timer_vec_root tv1; 

static struct timer_vec * const tvecs[] = { 
(struct timer_vec *)&tv1, &tv2, &tv3, &tv4, &tv5 
}; 
#define NOOF_TVECS (sizeof(tvecs) / sizeof(tvecs[0]))