浅析Linux中的时间编程和实现原理（四）Linux 内核的工作

我们所描述过的低精度定时器都是依赖系统定期产生的 tick 中断的。而高精度时钟模式下，定时器直接由高精度定时器硬件产生的中断触发。比如目前系统中有 3 个 hrtimer，其到期时间分别为 10ns、100ns 和 1000ns。添加第一个 hrtimer 时，系统通过当前默认的 clock_event_device 操作时钟硬件将其下一次中断触发时间设置为 10ns 之后；当 10ns 过去时，中断产生，通过系统的中断处理机制，最终会调用到 hrtimer_interrrupt() 函数，该函数从红黑树中得到所有到期的 Timer，并负责调用 hrtimer 数据结构中维护的用户处理函数（或者通过软中断执行用户指定操作）；hrtimer_interrupt 还从红黑树中读取下一个到期的 hrtimer，并且通过 clock_event_device 操作时钟硬件将下一次中断到期时间设置为 90ns 之后。如此反复操作。

这样就突破了 tick 的精度限制，用户操作可以精确到 ns 级别，当然中断依然存在延迟，这种延迟在几百个纳秒级别，还是比较高的精度。

Tick 时钟模拟

在高精度时钟模式下，内核系统依然需要一个定时触发的 tick 中断，以便驱动任务切换等重要操作。可是我们在上一节看到，高精度时钟模式下，系统产生时间中断的间隔是不确定的，假如系统中没有创建任何 hrtimer，就不会有时钟中断产生了。但 Linux 内核必须要一个严格定时触发的 tick 中断。

因此系统必须创建一个模拟 tick 时钟的特殊 hrtimer，并且该时钟按照 tick 的间隔时间（比如 10ms）定期启动自己，从而模拟出 tick 时钟，不过在 tickless 情况下，会跳过一些 tick。关于 tickless，和本文主旨无关，不再赘述。

内核时间系统的总体运行情况

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至此，我们可以用下面这张图来总结高精度模式下，内核时间系统的总体运行情况。

图 2. 内核时间系统概览

Linux 用 Generic Timer Framework 层来屏蔽底层硬件的细节，对上抽象出 Clock Sources 和 Clock Event 两个数据结构，分别用来表示计时的硬件和定时的硬件。

用基于红黑树的 hrtimer 系统维护高精度时钟，并用一个特殊的 hrtimer 模拟系统时钟 tick，产生定期的系统时钟中断。

模拟的系统时钟 tick 将驱动传统的低精度定时器系统（基于时间轮）和内核进程调度。

用户层 Timer 的支持和改变

高精度时钟主要应用于实时系统。在用户层，实时时钟的编程接口就是我们在第一部分介绍的 POSIX Timer。本文的第三部分介绍了基于 2.6.16 之前内核的 POSIX Timer 实现细节。

当 hrtimer 加入内核之后，POSIX Timer 的实现细节有一些改变，其中 per process 和 per thread 定时器的实现基本没有变化。但针对 CLOCK_REALTIME 和 CLOCK_MONOTONIC 两个时钟源的基本实现有所改变。以前它们依赖内核中的动态定时器实现，现在这类 Timer 都采用了新的 hrtimer。换句话说，每个时钟源为 CLOCK_REALTIME/CLOCK_MONOTONIC 的 POSIX Timer 都由一个内核 hrtimer 实现。

传统的间隔 Timer 虽然不属于实时应用，也没有很高的时钟精度要求，但在新的内核中，间隔 Timer 也使用了 hrtimer，而非传统的动态 Timer。因此 setitimer 在内核中也不再由时间轮管理了。

总体来说，用户请求的 Timer，无论是精度较低的间隔 Timer 还是精度高的 POSIX Timer，内核都采用 hrtimer 来支持。而由时间轮算法维护的内核动态 Timer 则仅仅在内核内部使用，比如一些驱动程序中还依旧使用 add_timer() 等动态 Timer 接口实现定时需求。

（编辑：云计算网_泰州站长网）

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