Linux内核时间管理

时间:2013-03-16作者:klpeng分类:Web服务器浏览:5772评论:0
(1)内核中的时间概念
    时间管理在linux内核中占有非常重要的作用。
    相对于事件驱动而言,内核中有大量函数是基于时间驱动的。
    有些函数是周期执行的,比如每10毫秒刷新一次屏幕;
    有些函数是推后一定时间执行的,比如内核在500毫秒后执行某项任务。
    要区分:
    *绝对时间和相对时间
    *周期性产生的事件和推迟执行的事件
    周期性事件是由系统系统定时器驱动的
 
(2)HZ值
    内核必须在硬件定时器的帮助下才能计算和管理时间。
    定时器产生中断的频率称为节拍率(tick rate)。
    在内核中指定了一个变量HZ,内核初始化的时候会根据这个值确定定时器的节拍率。
    HZ定义在<asm/param.h>,在i386平台上,目前采用的HZ值是1000。
    也就是时钟中断每秒发生1000次,周期为1毫秒。即:
    #define HZ 1000
 
    注意!HZ不是个固定不变的值,它是可以更改的,可以在内核源代码配置的时候输入。
    不同的体系结构其HZ值是不一样的,比如arm就采用100。
    如果在驱动中要使用系统的中断频率,直接使用HZ,而不要用100或1000
 
 
    a.理想的HZ值
        i386的HZ值一直采用100,直到2.5版后才改为1000。
        提高节拍率意味着时钟中断产生的更加频繁,中断处理程序也会更频繁地执行。
 
        带来的好处有:
        *内核定时器能够以更高的频率和更高的准确度运行
        *依赖定时器执行的系统调用,比如poll()和select(),运行的精度更高
        *提高进程抢占的准确度
        (缩短了调度延时,如果进程还剩2ms时间片,在10ms的调度周期下,进程会多运行8ms。
        由于耽误了抢占,对于一些对时间要求严格的任务会产生影响)
 
        坏处有:
        *节拍率要高,系统负担越重。
        中断处理程序将占用更多的处理器时间。
 
 (3)jiffies
    全局变量jiffies用于记录系统启动以来产生的节拍的总数。
    启动时,jiffies初始化为0,此后每次时钟中断处理程序都会增加该变量的值。
    这样,系统启动后的运行时间就是jiffies/HZ秒
 
    jiffies定义于<linux/jiffies.h>中:
    extern unsigned long volatile jiffies;
 
    jiffies变量总是为unsigned long型。
    因此在32位体系结构上是32位,而在64位体系上是64位。
    对于32位的jiffies,如果HZ为1000,49.7天后会溢出。
    虽然溢出的情况不常见,但程序在检测超时时仍然可能因为回绕而导致错误。
    linux提供了4个宏来比较节拍计数,它们能正确地处理节拍计数回绕。
 
    #include <linux/jiffies.h>
    #define time_after(unknown, known)       // unknow >  known
    #define time_before(unknown, known)      // unknow <  known
    #define time_after_eq(unknown, known)    // unknow >= known
    #define time_before_eq(unknown, known)   // unknow <= known
 
    unknown通常是指jiffies,known是需要对比的值(常常是一个jiffies加减后计算出的相对值)
 
    例:
    unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 0.5秒后超时 */
    ...
    if(time_before(jiffies, timeout)){
        /* 没有超时,很好 */
    }else{
        /* 超时了,发生错误 */
    
    time_before可以理解为如果在超时(timeout)之前(before)完成
 
 
    *系统中还声明了一个64位的值jiffies_64,在64位系统中jiffies_64和jiffies是一个值。
    可以通过get_jiffies_64()获得这个值。
 
    *使用
    u64 j2;
        j2 = get_jiffies_64();
 
 (4)获得当前时间
    驱动程序中一般不需要知道墙钟时间(也就是年月日的时间)。但驱动可能需要处理绝对时间。
    为此,内核提供了两个结构体,都定义在<linux/time.h>:
    a.struct timeval {
      time_t tv_sec; /* seconds */
      suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
    };
    较老,但很流行。采用秒和毫秒值,保存了1970年1月1日0点以来的秒数
 
    b.struct timespec {
      time_t  tv_sec; /* seconds */
      long tv_nsec; /* nanoseconds */
    };
    较新,采用秒和纳秒值保存时间。
 
    c.do_gettimeofday()
        该函数用通常的秒或微秒来填充一个指向struct timeval的指针变量,原型如下:
        #include <linux/time.h>
        void do_gettimeofday(struct timeval *tv);
 
    d.current_kernel_time()
        该函数可用于获得timespec
        #include <linux/time.h>

        struct timespec current_kernel_time(void);


确定时间的延迟执行
    设备驱动程序经常需要将某些特定代码延迟一段时间后执行,通常是为了让硬件能完成某些任务。
    长于定时器周期(也称为时钟嘀嗒)的延迟可以通过使用系统时钟完成,而非常短的延时则通过软件循环的方式完成
      
 
(1)短延时
    对于那些最多几十个毫秒的延迟,无法借助系统定时器。
    系统通过软件循环提供了下面的延迟函数:
    #include <linux/delay.h>  
    /* 实际在<asm/delay.h> */
    void ndelay(unsigned long nsecs); /*延迟纳秒 */
    void udelay(unsigned long usecs); /*延迟微秒 */
    void mdelay(unsigned long msecs); /*延迟毫秒 */
 
    这三个延迟函数均是忙等待函数,在延迟过程中无法运行其他任务。
 
(2)长延时
    a.在延迟到期前让出处理器
        while(time_before(jiffies, j1))
            schedule();
        在等待期间可以让出处理器,但系统无法进入空闲模式(因为这个进程始终在进行调度),不利于省电。
 
    b.超时函数
        #include <linux/sched.h>
        signed long schedule_timeout(signed long timeout);
 
    使用方式:
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    schedule_timeout(2*HZ); /* 睡2秒 */
    进程经过2秒后会被唤醒。如果不希望被用户空间打断,可以将进程状态设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE。
 

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/delay.h>

static int __init test_init(void)
{
    set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
    schedule_timeout(5 * HZ);
    printk(KERN_INFO "Hello Micky\n");
    return 0;
}

static void __exit test_exit(void)
{
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Micky Liu");
MODULE_DESCRIPTION("Test for delay");


(3)等待队列
    使用等待队列也可以实现长延迟。
    在延迟期间,当前进程在等待队列中睡眠。
    进程在睡眠时,需要根据所等待的事件链接到某一个等待队列。
 
    a.声明等待队列
        等待队列实际上就是一个进程链表,链表中包含了等待某个特定事件的所有进程。
        #include <linux/wait.h>
        struct __wait_queue_head {
            spinlock_t lock;
            struct list_head task_list;
        };
        typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
 
        要想把进程加入等待队列,驱动首先要在模块中声明一个等待队列头,并将它初始化。
 
        静态初始化
            DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name);
 
        动态初始化
            wait_queue_head_t my_queue;
            init_waitqueue_head(&my_queue);
 
    b.等待函数
        进程通过调用下面函数可以在某个等待队列中休眠固定的时间:
        #include <linux/wait.h>
        long wait_event_timeout(wait_queue_head_t q,condition, long timeout);
        long wait_event_interruptible_timeout(wait_queue_head_t q, condition, long timeout);
        调用这两个函数后,进程会在给定的等待队列q上休眠,但会在超时(timeout)到期时返回。
        如果超时到期,则返回0,如果进程被其他事件唤醒,则返回剩余的时间数。
        如果没有等待条件,则将condition设为0
 
        使用方式:
        wait_queue_head_t wait;
        init_waitqueue_head(&wait);
        wait_event_interruptible_timeout(wait, 0, 2*HZ);  
        /*当前进程在等待队列wait中睡2秒 */
 
 
 
(4)内核定时器
    还有一种将任务延迟执行的方法是采用内核定时器。
    与前面几种延迟方法不同,内核定时器并不会阻塞当前进程,
    启动一个内核定时器只是声明了要在未来的某个时刻执行一项任务,当前进程仍然继续执行。
    不要用定时器完成硬实时任务
 
    定时器由结构timer_list表示,定义在<linux/timer.h>
    struct timer_list{
        struct list_head entry; /* 定时器链表 */
        unsigned long expires; /* 以jiffies为单位的定时值 */
        spinlock_t lock;
        void(*function)(unsigned long); /* 定时器处理函数 */
        unsigned long data;  /* 传给定时器处理函数的参数 */
    }
 
    内核在<linux/timer.h>中提供了一系列管理定时器的接口。
 
    a.创建定时器
        struct timer_list my_timer;
 
    b.初始化定时器
        init_timer(&my_timer);
        /* 填充数据结构 */
        my_timer.expires = jiffies + delay;
        my_timer.data = 0;
        my_timer.function = my_function; /*定时器到期时调用的函数*/
 
    c.定时器的执行函数
        超时处理函数的原型如下:
        void my_timer_function(unsigned long data);
        可以利用data参数用一个处理函数处理多个定时器。可以将data设为0
 
    d.激活定时器
        add_timer(&my_timer);
        定时器一旦激活就开始运行。
 
    e.更改已激活的定时器的超时时间
        mod_timer(&my_timer, jiffies+ney_delay);
        可以用于那些已经初始化但还没激活的定时器,
        如果调用时定时器未被激活则返回0,否则返回1。
        一旦mod_timer返回,定时器将被激活。
 
    f.删除定时器
        del_timer(&my_timer);
        被激活或未被激活的定时器都可以使用,如果调用时定时器未被激活则返回0,否则返回1。
        不需要为已经超时的定时器调用,它们被自动删除
 
    g.同步删除
    del_time_sync(&my_timer);
    在smp系统中,确保返回时,所有的定时器处理函数都退出。不能在中断上下文使用。
    
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/timer.h>

struct timer_list my_timer;

static void timer_handler(unsigned long arg)
{
    printk(KERN_INFO "%s %d Hello Micky! arg=%lu\n",__func__, __LINE__, arg );
}

static int __init test_init(void)
{
    init_timer(&my_timer);

    my_timer.expires = jiffies + 5 * HZ;
    my_timer.function = timer_handler;
    my_timer.data = 10;
    add_timer(&my_timer);

    return 0;
}

static void __exit test_exit(void)
{
    del_timer(&my_timer);
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Micky Liu");
MODULE_DESCRIPTION("Test for timer");


#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/time.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/timer.h>

struct timer_list my_timer;

static void timer_handler(unsigned long arg)
{
    printk(KERN_INFO "%s %d Hello Micky! arg=%lu\n",__func__, __LINE__, arg );
}

static int __init test_init(void)
{
    init_timer(&my_timer);

    //my_timer.expires = jiffies + 5 * HZ;
    my_timer.function = timer_handler;
    my_timer.data = 10; 
    //add_timer(&my_timer);
    mod_timer(&my_timer, jiffies + 5 * HZ);

    return 0;
}

static void __exit test_exit(void)
{
    del_timer(&my_timer);
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Micky Liu");
MODULE_DESCRIPTION("Test for timer");



 
不确定时间的延迟执行
(1)什么是不确定时间的延迟
    前面介绍的是确定时间的延迟执行,但在写驱动的过程中经常遇到这种情况:
    用户空间程序调用read函数从设备读数据,但设备中当前没有产生数据。
    此时,驱动的read函数默认的操作是进入休眠,一直等待到设备中有了数据为止。
 
    这种等待就是不定时的延迟,通常采用休眠机制来实现。
 
 
(2)休眠
    休眠是基于等待队列实现的,前面我们已经介绍过wait_event系列函数,
    但现在我们将不会有确定的休眠时间。
 
    当进程被置入休眠时,会被标记为特殊状态并从调度器的运行队列中移走。
    直到某些事件发生后,如设备接收到数据,则将进程重新设为运行态并进入运行队列进行调度。
    休眠函数的头文件是<linux/wait.h>,具体的实现函数在kernel/wait.c中。
 
    a.休眠的规则
        *永远不要在原子上下文中休眠
        *当被唤醒时,我们无法知道睡眠了多少时间,也不知道醒来后是否获得了我们需要的资源
        *除非知道有其他进程会在其他地方唤醒我们,否则进程不能休眠
 
    b.等待队列的初始化
        见前文
 
    c.休眠函数
        linux最简单的睡眠方式为wait_event宏。该宏在实现休眠的同时,检查进程等待的条件。
 
        A. void wait_event(
              wait_queue_head_t q,  
              int condition);
 
        B. int wait_event_interruptible(wait_queue_head_t q, int condition);
            q: 是等待队列头,注意是采用值传递。
            condition: 任意一个布尔表达式,在条件为真之前,进程会保持休眠。
            注意!进程需要通过唤醒函数才可能被唤醒,此时需要检测条件。
            如果条件满足,则被唤醒的进程真正醒来;
            如果条件不满足,则进程继续睡眠。
 
 
    d.唤醒函数
        当我们的进程睡眠后,需要由其他的某个执行线程(可能是另一个进程或中断处理例程)唤醒。
        唤醒函数:
            #include <linux/wait.h>
            1. void wake_up(
                wait_queue_head_t *queue);
 
            2. void wake_up_interruptible(
                wait_queue_head_t *queue);
 
        wake_up会唤醒等待在给定queue上的所有进程。
        而wake_up_interruptible唤醒那些执行可中断休眠的进程。
        实践中,约定做法是在使用wait_event时使用wake_up,而使用wait_event_interruptible时使用wake_up_interruptible。
 


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