linux的时间管理和定时器原理

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linux初始化的时候，初始化了定时相关的代码。

   
     
 
    
   
void sched_init(void)
{
	...
	// 43是控制字端口，0x36=0x00110110,即二进制，方式3，先读写低8位再读写高8位，选择计算器0
	outb_p(0x36,0x43);		/* binary, mode 3, LSB/MSB, ch 0 */
	/*
		写入初始值，40端口是计数通道0，初始值
		的含义是，8253每一个波动，初始值会减一，减到0则输出一个通知，
		LATCH = (1193180/100),1193180是8253的工作频率，
		一秒钟波动1193180次。(1193180/100)就是(1193180/1000)*10，即
		(1193180/1000)减到0的时候，过去了1毫秒。乘以10即过去10毫秒。
	*/
	outb_p(LATCH & 0xff , 0x40);	/* LSB */
	// 再写8位
	outb(LATCH >> 8 , 0x40);	/* MSB */
	// 设置定时中断处理函数，中断号是20,8253会触发该中断
	set_intr_gate(0x20,&timer_interrupt);
	...
}

_timer_interrupt:
	push %ds		# save ds,es and put kernel data space
	push %es		# into them. %fs is used by _system_call
	push %fs
	pushl %edx		# we save %eax,%ecx,%edx as gcc doesn't
	pushl %ecx		# save those across function calls. %ebx
	pushl %ebx		# is saved as we use that in ret_sys_call
	pushl %eax
	movl $0x10,%eax
	mov %ax,%ds
	mov %ax,%es
	movl $0x17,%eax
	mov %ax,%fs
	incl _jiffies
	movb $0x20,%al		# EOI to interrupt controller #1
	outb %al,$0x20
	movl CS(%esp),%eax
	andl $3,%eax		# %eax is CPL (0 or 3, 0=supervisor)
	pushl %eax
	call _do_timer		# 'do_timer(long CPL)' does everything from
	addl $4,%esp		# task switching to accounting ...
	jmp ret_from_sys_call
   
     
 
    
    

我们看到中断的时候执行了do_timer函数，该函数就是处理定时器和进程调度的。在此之前我们先看看怎么新增一个定时器。

   
     
 
    
   
#define TIME_REQUESTS 64

// 定时器数组，其实是个链表
static struct timer_list {
	long jiffies;
	void (*fn)();
	struct timer_list * next;
} timer_list[TIME_REQUESTS], * next_timer = NULL;

void add_timer(long jiffies, void (*fn)(void))
{
	struct timer_list * p;

	if (!fn)
		return;
	// 关中断，防止多个进程”同时“操作
	cli();
	// 直接到期，直接执行回调
	if (jiffies <= 0)
		(fn)();
	else {
		// 遍历定时器数组，找到一个空项
		for (p = timer_list ; p < timer_list + TIME_REQUESTS ; p++)
			if (!p->fn)
				break;
		// 没有空项了
		if (p >= timer_list + TIME_REQUESTS)
			panic("No more time requests free");
		// 给空项赋值
		p->fn = fn;
		p->jiffies = jiffies;
		// 在数组中形成链表
		p->next = next_timer;
		// next_timer指向第一个节点，即最早到期的
		next_timer = p;
		/*
			修改链表，保证超时时间是从小到大的顺序
			原理：
				每个节点都是以前面一个节点的到时时间为坐标，节点里的jiffies即超时时间
				是前一个节点到期后的多少个jiffies后该节点到期。
		*/
		while (p->next && p->next->jiffies < p->jiffies) {
			// 前面的节点比后面节点大，则前面节点减去后面节点的值，算出偏移值，下面准备置换位置
			p->jiffies -= p->next->jiffies;
			// 先保存一下
			fn = p->fn;
			// 置换两个节点的回调
			p->fn = p->next->fn;
			p->next->fn = fn;
			jiffies = p->jiffies;
			// 置换两个节点是超时时间
			p->jiffies = p->next->jiffies;
			p->next->jiffies = jiffies;
			/*
				到这，第一个节点是最快到期的，还需要更新后续节点的值，其实就是找到一个合适的位置
				插入，因为内核是用数组实现的定时器队列，所以是通过置换位置实现插入，
				如果是链表，则直接找到合适的位置，插入即可，所谓合适的位置，
				就是找到第一个比当前节点大的节点，插入到他前面。
			*/
			p = p->next;
		}
		/*
			内核这里实现有个bug，当当前节点是最小时，需要更新原链表中第一个节点的值，，
			否则会导致原链表中第一个节点的过期时间延长，修复代码如下：
			if (p->next && p->next->jiffies > p->jiffies) {
				p->next->jiffies = p->next->jiffies - p->jiffies;
			}	
			即更新原链表中第一个节点相对于新的第一个节点的偏移，剩余的节点不需要更新，因为他相对于
			他前面的节点的偏移不变，但是原链表中的第一个节点之前前面没有节点，所以偏移就是他自己的值，
			而现在在他前面插入了一个节点，则他的偏移是相对于前面一个节点的偏移
		*/
	}
	sti();
}


   
     
 
    
    

上面是示例图。这样就完成了定时节点的插入。我们再回头看一下do_timer的代码，即系统由定时中断时执行的代码。

   
     
 
    
   
void do_timer(long cpl)
{
	...
	// 当前在用户态，增加用户态的执行时间，否则增加该进程的系统执行时间
	if (cpl)
		current->utime++;
	else
		current->stime++;
	// next_timer为空说明还没有定时节点
	if (next_timer) {
		// 第一个节点减去一个jiffies，因为其他节点都是相对第一个节点的偏移，所以其他节点的值不需要变
		next_timer->jiffies--;
		// 当前节点到期，如果有多个节点超时时间一样，即相对第一个节点偏移是0，则会多次进入while循环
		while (next_timer && next_timer->jiffies <= 0) {
			void (*fn)(void);

			fn = next_timer->fn;
			next_timer->fn = NULL;
			next_timer = next_timer->next;
			(fn)();
		}
	}
	...
	// 进程调度
	schedule();
}
   
     
 
    
    

我们发现，add_timer的时候已经算好了定时器的顺序是从先到期到后到期的，并且后面的节点是相对前面节点的偏移，所以判断超时的时候，只需要从前往后判断，如果第一节点没到期则后面的也不会到期，如果第一个到期，则继续判断下一个节点。把耗时的操作放到新增节点的时候，因为新增定操作是很少且不频繁的，但是定时中断是频繁的操作。所以这样就保证了性能。最后我们还发现，操作系统就是在这里通过schedule函数处理进程调度的。即没10毫秒，系统进程一次进程调度。

到此，相信大家对“linux的时间管理和定时器原理”有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是创新互联网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！