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我們知道低分辨率定時(shí)器和高精度定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)原理，內(nèi)核為了方便其它子系統(tǒng)，在時(shí)間子系統(tǒng)中提供了一些用于延時(shí)或調(diào)度的API，例如msleep，hrtimer_nanosleep等等，這些API基于低分辨率定時(shí)器或高精度定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，本章的內(nèi)容就是討論這些方便、好用的API是如何利用定時(shí)器系統(tǒng)來(lái)完成所需的功能的。
1. ?msleep
msleep相信大家都用過(guò)，它可能是內(nèi)核用使用最廣泛的延時(shí)函數(shù)之一，它會(huì)使當(dāng)前進(jìn)程被調(diào)度并讓出cpu一段時(shí)間，因?yàn)檫@一特性，它不能用于中斷上下文，只能用于進(jìn)程上下文中。要想在中斷上下文中使用延時(shí)函數(shù)，請(qǐng)使用會(huì)阻塞cpu的無(wú)調(diào)度版本mdelay。msleep的函數(shù)原型如下：
[cpp]?view plain?copy
void?msleep(unsigned?int?msecs)??
延時(shí)的時(shí)間由參數(shù)msecs指定，單位是毫秒，事實(shí)上，msleep的實(shí)現(xiàn)基于低分辨率定時(shí)器，所以msleep的實(shí)際精度只能也是1/HZ級(jí)別。內(nèi)核還提供了另一個(gè)比較類似的延時(shí)函數(shù)msleep_interruptible：
[cpp]?view plain?copy
unsigned?long?msleep_interruptible(unsigned?int?msecs)??
延時(shí)的單位同樣毫秒數(shù)，它們的區(qū)別如下：
函數(shù)延時(shí)單位返回值是否可被信號(hào)中斷msleep毫秒無(wú)否msleep_interruptible毫秒未完成的毫秒數(shù)是最主要的區(qū)別就是msleep會(huì)保證所需的延時(shí)一定會(huì)被執(zhí)行完，而msleep_interruptible則可以在延時(shí)進(jìn)行到一半時(shí)被信號(hào)打斷而退出延時(shí)，剩余的延時(shí)數(shù)則通過(guò)返回值返回。兩個(gè)函數(shù)最終的代碼都會(huì)到達(dá)schedule_timeout函數(shù)，它們的調(diào)用序列如下圖所示：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
圖1.1 ?兩個(gè)延時(shí)函數(shù)的調(diào)用序列
下面我們看看schedule_timeout函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，函數(shù)首先處理兩種特殊情況，一種是傳入的延時(shí)jiffies數(shù)是個(gè)負(fù)數(shù)，則打印一句警告信息，然后馬上返回，另一種是延時(shí)jiffies數(shù)是MAX_SCHEDULE_TIMEOUT，表明需要一直延時(shí)，直接執(zhí)行調(diào)度即可：
[cpp]?view plain?copy
signed?long?__sched?schedule_timeout(signed?long?timeout)??
{??
struct?timer_list?timer;??
unsigned?long?expire;??
switch?(timeout)??
{??
case?MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:??
schedule();??
goto?out;??
default:??
if?(timeout?
printk(KERN_ERR?"schedule_timeout:?wrong?timeout?"??
"value?%lx\n",?timeout);??
dump_stack();??
current->state?=?TASK_RUNNING;??
goto?out;??
}??
}??
然后計(jì)算到期的jiffies數(shù)，并在堆棧上建立一個(gè)低分辨率定時(shí)器，把到期時(shí)間設(shè)置到該定時(shí)器中，啟動(dòng)定時(shí)器后，通過(guò)schedule把當(dāng)前進(jìn)程調(diào)度出cpu的運(yùn)行隊(duì)列：
[cpp]?view plain?copy
expire?=?timeout?+?jiffies;??
setup_timer_on_stack(&timer,?process_timeout,?(unsigned?long)current);??
__mod_timer(&timer,?expire,?false,?TIMER_NOT_PINNED);??
schedule();??
到這個(gè)時(shí)候，進(jìn)程已經(jīng)被調(diào)度走，那它如何返回繼續(xù)執(zhí)行？我們看到定時(shí)器的到期回調(diào)函數(shù)是process_timeout，參數(shù)是當(dāng)前進(jìn)程的task_struct指針，看看它的實(shí)現(xiàn)：
[cpp]?view plain?copy
static?void?process_timeout(unsigned?long?__data)??
{??
wake_up_process((struct?task_struct?*)__data);??
}??
噢，沒(méi)錯(cuò)，定時(shí)器一旦到期，進(jìn)程會(huì)被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行：
[cpp]?view plain?copy
del_singleshot_timer_sync(&timer);??
/*?Remove?the?timer?from?the?object?tracker?*/??
destroy_timer_on_stack(&timer);??
timeout?=?expire?-?jiffies;??
out:??
return?timeout?
}??
schedule返回后，說(shuō)明要不就是定時(shí)器到期，要不就是因?yàn)槠渌鼤r(shí)間導(dǎo)致進(jìn)程被喚醒，函數(shù)要做的就是刪除在堆棧上建立的定時(shí)器，返回剩余未完成的jiffies數(shù)。
說(shuō)完了關(guān)鍵的schedule_timeout函數(shù)，我們看看msleep如何實(shí)現(xiàn)：
[cpp]?view plain?copy
signed?long?__sched?schedule_timeout_uninterruptible(signed?long?timeout)??
{??
__set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);??
return?schedule_timeout(timeout);??
}??
void?msleep(unsigned?int?msecs)??
{??
unsigned?long?timeout?=?msecs_to_jiffies(msecs)?+?1;??
while?(timeout)??
timeout?=?schedule_timeout_uninterruptible(timeout);??
}??
msleep先是把毫秒轉(zhuǎn)換為jiffies數(shù)，通過(guò)一個(gè)while循環(huán)保證所有的延時(shí)被執(zhí)行完畢，延時(shí)操作通過(guò)schedule_timeout_uninterruptible函數(shù)完成，它僅僅是在把進(jìn)程的狀態(tài)修改為T(mén)ASK_UNINTERRUPTIBLE后，調(diào)用上述的schedule_timeout來(lái)完成具體的延時(shí)操作，TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)保證了msleep不會(huì)被信號(hào)喚醒，也就意味著在msleep期間，進(jìn)程不能被kill掉。
看看msleep_interruptible的實(shí)現(xiàn)：
[cpp]?view plain?copy
signed?long?__sched?schedule_timeout_interruptible(signed?long?timeout)??
{??
__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);??
return?schedule_timeout(timeout);??
}??
unsigned?long?msleep_interruptible(unsigned?int?msecs)??
{??
unsigned?long?timeout?=?msecs_to_jiffies(msecs)?+?1;??
while?(timeout?&&?!signal_pending(current))??
timeout?=?schedule_timeout_interruptible(timeout);??
return?jiffies_to_msecs(timeout);??
}??
msleep_interruptible通過(guò)schedule_timeout_interruptible中轉(zhuǎn)，schedule_timeout_interruptible的唯一區(qū)別就是把進(jìn)程的狀態(tài)設(shè)置為了TASK_INTERRUPTIBLE，說(shuō)明在延時(shí)期間有信號(hào)通知，while循環(huán)會(huì)馬上終止，剩余的jiffies數(shù)被轉(zhuǎn)換成毫秒返回。實(shí)際上，你也可以利用schedule_timeout_interruptible或schedule_timeout_uninterruptible構(gòu)造自己的延時(shí)函數(shù)，同時(shí)，內(nèi)核還提供了另外一個(gè)類似的函數(shù)，不用我解釋，看代碼就知道它的用意了：
[cpp]?view plain?copy
signed?long?__sched?schedule_timeout_killable(signed?long?timeout)??
{??
__set_current_state(TASK_KILLABLE);??
return?schedule_timeout(timeout);??
}??
2. ?hrtimer_nanosleep
第一節(jié)討論的msleep函數(shù)基于時(shí)間輪定時(shí)系統(tǒng)，只能提供毫秒級(jí)的精度，實(shí)際上，它的精度取決于HZ的配置值，如果HZ小于1000，它甚至無(wú)法達(dá)到毫秒級(jí)的精度，要想得到更為精確的延時(shí)，我們自然想到的是要利用高精度定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。沒(méi)錯(cuò)，linux為用戶空間提供了一個(gè)api：nanosleep，它能提供納秒級(jí)的延時(shí)精度，該用戶空間函數(shù)對(duì)應(yīng)的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)是sys_nanosleep，它的工作交由高精度定時(shí)器系統(tǒng)的hrtimer_nanosleep函數(shù)實(shí)現(xiàn)，最終的大部分工作則由do_nanosleep完成。調(diào)用過(guò)程如下圖所示：
圖 ?2.1 ?nanosleep的調(diào)用過(guò)程
與msleep的實(shí)現(xiàn)相類似，hrtimer_nanosleep函數(shù)首先在堆棧中創(chuàng)建一個(gè)高精度定時(shí)器，設(shè)置它的到期時(shí)間，然后通過(guò)do_nanosleep完成最終的延時(shí)工作，當(dāng)前進(jìn)程在掛起相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間后，退出do_nanosleep函數(shù)，銷(xiāo)毀堆棧中的定時(shí)器并返回0值表示執(zhí)行成功。不過(guò)do_nanosleep可能在沒(méi)有達(dá)到所需延時(shí)數(shù)量時(shí)由于其它原因退出，如果出現(xiàn)這種情況，hrtimer_nanosleep的最后部分把剩余的延時(shí)時(shí)間記入進(jìn)程的restart_block中，并返回ERESTART_RESTARTBLOCK錯(cuò)誤代碼，系統(tǒng)或者用戶空間可以根據(jù)此返回值決定是否重新調(diào)用nanosleep以便把剩余的延時(shí)繼續(xù)執(zhí)行完成。下面是hrtimer_nanosleep的代碼：
[cpp]?view plain?copy
long?hrtimer_nanosleep(struct?timespec?*rqtp,?struct?timespec?__user?*rmtp,??
const?enum?hrtimer_mode?mode,?const?clockid_t?clockid)??
{??
struct?restart_block?*restart;??
struct?hrtimer_sleeper?t;??
int?ret?=?0;??
unsigned?long?slack;??
slack?=?current->timer_slack_ns;??
if?(rt_task(current))??
slack?=?0;??
hrtimer_init_on_stack(&t.timer,?clockid,?mode);??
hrtimer_set_expires_range_ns(&t.timer,?timespec_to_ktime(*rqtp),?slack);??
if?(do_nanosleep(&t,?mode))??
goto?out;??
/*?Absolute?timers?do?not?update?the?rmtp?value?and?restart:?*/??
if?(mode?==?HRTIMER_MODE_ABS)?{??
ret?=?-ERESTARTNOHAND;??
goto?out;??
}??
if?(rmtp)?{??
ret?=?update_rmtp(&t.timer,?rmtp);??
if?(ret?<=?0)??
goto?out;??
}??
restart?=?¤t_thread_info()->restart_block;??
restart->fn?=?hrtimer_nanosleep_restart;??
restart->nanosleep.clockid?=?t.timer.base->clockid;??
restart->nanosleep.rmtp?=?rmtp;??
restart->nanosleep.expires?=?hrtimer_get_expires_tv64(&t.timer);??
ret?=?-ERESTART_RESTARTBLOCK;??
out:??
destroy_hrtimer_on_stack(&t.timer);??
return?ret;??
}??
接著我們看看do_nanosleep的實(shí)現(xiàn)代碼，它首先通過(guò)hrtimer_init_sleeper函數(shù)，把定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)設(shè)置為hrtimer_wakeup，把當(dāng)前進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)指針保存在hrtimer_sleeper結(jié)構(gòu)的task字段中：
[cpp]?view plain?copy
void?hrtimer_init_sleeper(struct?hrtimer_sleeper?*sl,?struct?task_struct?*task)??
{??
sl->timer.function?=?hrtimer_wakeup;??
sl->task?=?task;??
}??
EXPORT_SYMBOL_GPL(hrtimer_init_sleeper);??
static?int?__sched?do_nanosleep(struct?hrtimer_sleeper?*t,?enum?hrtimer_mode?mode)??
{??
hrtimer_init_sleeper(t,?current);??
然后，通過(guò)一個(gè)do/while循環(huán)內(nèi)：?jiǎn)?dòng)定時(shí)器，掛起當(dāng)前進(jìn)程，等待定時(shí)器或其它事件喚醒進(jìn)程。這里的循環(huán)體實(shí)現(xiàn)比較怪異，它使用hrtimer_active函數(shù)間接地判斷定時(shí)器是否到期，如果hrtimer_active返回false，說(shuō)明定時(shí)器已經(jīng)過(guò)期，然后把hrtimer_sleeper結(jié)構(gòu)的task字段設(shè)置為NULL，從而導(dǎo)致循環(huán)體的結(jié)束，另一個(gè)結(jié)束條件是當(dāng)前進(jìn)程收到了信號(hào)事件，所以，當(dāng)因?yàn)槭嵌〞r(shí)器到期而退出時(shí)，do_nanosleep返回true，否則返回false，上述的hrtimer_nanosleep正是利用了這一特性來(lái)決定它的返回值。以下是do_nanosleep循環(huán)體的代碼：
[cpp]?view plain?copy
do?{??
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);??
hrtimer_start_expires(&t->timer,?mode);??
if?(!hrtimer_active(&t->timer))??
t->task?=?NULL;??
if?(likely(t->task))??
schedule();??
hrtimer_cancel(&t->timer);??
mode?=?HRTIMER_MODE_ABS;??
}?while?(t->task?&&?!signal_pending(current));??
__set_current_state(TASK_RUNNING);??
return?t->task?==?NULL;??
}??
除了hrtimer_nanosleep，高精度定時(shí)器系統(tǒng)還提供了幾種用于延時(shí)/掛起進(jìn)程的api：
schedule_hrtimeout ? ?使得當(dāng)前進(jìn)程休眠指定的時(shí)間，使用CLOCK_MONOTONIC計(jì)時(shí)系統(tǒng)；
schedule_hrtimeout_range ? ?使得當(dāng)前進(jìn)程休眠指定的時(shí)間范圍，使用CLOCK_MONOTONIC計(jì)時(shí)系統(tǒng)；
schedule_hrtimeout_range_clock ? ?使得當(dāng)前進(jìn)程休眠指定的時(shí)間范圍，可以自行指定計(jì)時(shí)系統(tǒng)；
usleep_range?使得當(dāng)前進(jìn)程休眠指定的微妙數(shù)，使用CLOCK_MONOTONIC計(jì)時(shí)系統(tǒng)；
它們之間的調(diào)用關(guān)系如下：
圖 2.2 ?schedule_hrtimeout_xxxx系列函數(shù)
最終，所有的實(shí)現(xiàn)都會(huì)進(jìn)入到schedule_hrtimeout_range_clock函數(shù)。需要注意的是schedule_hrtimeout_xxxx系列函數(shù)在調(diào)用前，最好利用set_current_state函數(shù)先設(shè)置進(jìn)程的狀態(tài)，在這些函數(shù)返回前，進(jìn)城的狀態(tài)會(huì)再次被設(shè)置為T(mén)ASK_RUNNING。如果事先把狀態(tài)設(shè)置為T(mén)ASK_UNINTERRUPTIBLE，它們會(huì)保證函數(shù)返回前一定已經(jīng)經(jīng)過(guò)了所需的延時(shí)時(shí)間，如果事先把狀態(tài)設(shè)置為T(mén)ASK_INTERRUPTIBLE，則有可能在尚未到期時(shí)由其它信號(hào)喚醒進(jìn)程從而導(dǎo)致函數(shù)返回。主要實(shí)現(xiàn)該功能的函數(shù)schedule_hrtimeout_range_clock和前面的do_nanosleep函數(shù)實(shí)現(xiàn)原理基本一致。大家可以自行參考內(nèi)核的代碼，它們位于：kernel/hrtimer.c。
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