深入剖析Linux内核及设备驱动:时间管理框架介绍

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：1老版本内核时间管理框架在Linux 2.6.16之前，内核一直使用一种称为timer wheel的机制来管理时钟。这就是熟知的基于Hz的timer机制。2新的时间管理框架为了解决timer wheel低精度以及与内核其他模块的高耦合性的缺点，Linux内核引入了hrtimer。它是建立在per-cpu时钟事件设备基础上的。图4-48Linux内核时间管理框架⑤dynamic tick。它能在系统空闲时通过停止tick的运行以达到降低处理器功耗的目的。dynamic tick是为彻底替换掉周期性的tick机制而产生的。这是因为hrtimer在高精度模式时必须使

1ᤫ老版本内核时间管理框架

在Linux 2.6.16之前，内核一直使用一种称为timer wheel的机制来管理时钟。这就是熟知的基于Hz的timer机制。timer wheel有占用的内存少等优点，但timer wheel的实现机制仍然存在弊端。一方面timer wheel是为timeout类型的定时器优化的，并不适合精准定时timer；另一方面，由于timer wheel是建立在Hz的基础上的，因此其计时精度无法进一步提高。毕竟一味的通过提高Hz值来提高计时精度并无意义，结果只能是产生大量的定时中断，增加额外的系统开销。因此，有必要将高精度的timer与低精度的timer分开，这样既可以确保低精度的timeout类型的定时器应用，也便于高精度的timer类型定时器的应用。另外timer wheel的实现与jiffies的耦合性太强，非常不便于扩展。

2ᤫ新的时间管理框架

为了解决timer wheel低精度以及与内核其他模块的高耦合性的缺点，Linux内核引入了hrtimer。另外为了能在电源管理方面进行优化，有必要去除以频率（Hz）触发的定时时钟中断，改为动态时钟机制（dynamic tick）或者说NO_HZ机制。新的时间管理框架如图4-48所示。

下面介绍其中的各个模块。

①时钟源设备（clock-source device）。它是系统中可以提供一定精度的计时设备。不同的时钟源提供的时钟精度是不一样的。此外，时钟源的计时都是单调递增的（monotoni-cally）。时钟源作为系统时钟的提供者，在可靠并且可用的前提下精度越高越好。在Linux中不同的时钟源有不同的频率，具有更高频率的时钟源会优先被系统使用。

②时钟事件设备（clock-event device）。它是系统中可以触发one-shot（单次）或者周期性中断的设备。某些设备既可以做时钟源设备也可以做时钟事件设备。时钟事件设备的类型分为全局和per-cpu两种类型。全局的时钟事件设备完成的是系统相关的工作，例如完成系统的tick更新；per-cpu的时钟事件设备主要完成本地CPU上的一些功能，例如对在当前CPU上运行进程的时间统计，profile，设置本地CPU上的下一次事件中断等。和时钟源设备的实现类似，时钟事件设备也通过频率来区分优先级关系。(www.chuimin.cn)

③tick device。它是用来处理周期性的tick event。tickdevice其实是对时钟事件设备的整合，因此tick device也有one-shot和周期性这两种中断触发模式。每注册一个时钟事件设备，这个设备会自动被注册为一个tick device。全局的tickdevice用来更新诸如jiffies这样的全局信息，per-cpu的tick device则用来更新每个CPU相关的特定信息。

④hrtimer。它是建立在per-cpu时钟事件设备基础上的。对于一个SMP系统，如果只有全局的时钟事件设备，hrtimer无法工作。ktime_t是hrtimer主要使用的时间结构。无论使用哪种体系结构，ktime_t始终保持64bit的精度，并且考虑了大小端的影响。hrtimer有两种工作模式：低精度模式（low-resolution mode）与高精度模式（high-resolution mode）。虽然hrtimer子系统是为高精度的timer准备的，但是系统可能在运行过程中动态切换到不同精度的时钟源设备，因此hrtimer需要能够在低精度模式与高精度模式下自由切换。低精度模式是建立在高精度模式基础之上的，在低精度模式下，hrtimer的核心处理函数是hrtimer_run_queues，每一次tick中断都要执行一次。hrtimer_bases是实现hrtimer的核心数据结构，通过hrtimer_bases，hrtimer可以管理挂在每一个CPU上的所有timer。在update_process_times中，除了处理处于低精度模式的hrtimer外，还要唤醒时间中断的softirq（TIMER_SOFTIRQ）以便执行timer wheel的代码。由于hrtimer子系统的加入，在时间中断的softirq中还需要通过hrtimer_run_pending检查是否可以将hrtimer切换到高精度模式，如果可以将hrtimer切换到高精度模式，则调用hrtimer_switch_to_hres函数进行切换。

图4-48　Linux内核时间管理框架

⑤dynamic tick。它能在系统空闲时通过停止tick的运行以达到降低处理器功耗的目的。使用dynamic tick的系统，只有在实际工作时才会产生tick，否则tick处于停止状态。dynamic tick是为彻底替换掉周期性的tick机制而产生的。它对周期性运行的tick机制所完成的（如进程时间片的计算、更新profile、协助CPU进行负载均衡等）诸多工作都提供了相应的模拟机制。hrtimer从低精度模式切换到高精度模式的切换点，也是低精度模式下从周期性tick到dynamic tick的切换点，会将tick切换到one-shot模式下，另外通过tick_nohz_handler模拟周期性tick device完成的工作：如果当前CPU负责全局tick device的工作，则更新jiffies，同时完成对本地CPU的进程时间统计等工作；如果当前tick device在此之前已经处于停止状态，为了防止tick停止时间过长造成watchdog超时，从而引发soft-lockdep的错误，需要通过调用touch_softlockup_watchdog软件复位看门狗防止其溢出；设置了下一次的超时事件，但是由于系统空闲时会停止tick，因此下一次的超时事件可能发生，也可能不发生。在高精度模式下tick_sched_timer用来模拟周期性tick device的功能。dynamic tick的实现也使用了这个函数。这是因为hrtimer在高精度模式时必须使用one-shot模式的tick device，这也同时符合dynamic tick的要求。虽然使用同样的函数，表面上都会触发周期性的tick中断，但是使用dynamic tick的系统在空闲时会停止tick工作，因此tick中断不会是周期产生的。对于tick的开关在cpuidle中通过tick_nohz_stop_sched_tick和tick_nohz_restart_sched_tick来实现，其中通过tick_do_update_jiffies64来更新时间，保证模拟的正确性。

深入剖析Linux内核及设备驱动:时间管理框架介绍

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