一文讀懂 Linux 定時器實現(xiàn)
定時器原理
一般定時器實現(xiàn)的方式有以下幾種：
基于排序鏈表方式：
通過排序鏈表來保存定時器，由于鏈表是排序好的，所以獲取最小（最早到期）的定時器的時間復雜度為 O(1)。但插入需要遍歷整個鏈表，所以時間復雜度為 O(n)。如下圖：
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基于最小堆方式：
通過最小堆來保存定時器，在最小堆中獲取最小定時器的時間復雜度為 O(1)，但插入一個定時器的時間復雜度為 O(log n)。如下圖：
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基于平衡二叉樹方式：
使用平衡二叉樹（如紅黑樹）保存定時器，在平衡二叉樹中獲取最小定時器的時間復雜度為 O(log n)（也可以通過緩存最小值的方法來達到 O(1)），而插入一個定時器的時間復雜度為 O(log n)。如下圖：
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時間輪：
但對于Linux這種對定時器依賴性比較高（網(wǎng)絡(luò)子模塊的TCP協(xié)議使用了大量的定時器）的操作系統(tǒng)來說，以上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是不能滿足要求的。所以Linux使用了效率更高的定時器算法：時間輪。
時間輪 類似于日常生活的時鐘，如下圖：
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日常生活的時鐘，每當秒針轉(zhuǎn)一圈時，分針就會走一格，而分針走一圈時，時針就會走一格。而時間輪的實現(xiàn)方式與時鐘類似，就是把到期時間當成一個輪，然后把定時器掛在這個輪子上面，每當時間走一秒就移動時針，并且執(zhí)行那個時針上的定時器，如下圖：
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一般的定時器范圍為一個32位整型的大小，也就是 0 ~ 4294967295，如果通過一個數(shù)組來存儲的話，就需要一個元素個數(shù)為4294967296的數(shù)組，非常浪費內(nèi)存。這個時候就可以通過類似于時鐘的方式：通過多級數(shù)組來存儲。時鐘通過時分秒來進行分級，當然我們也可以這樣，但對于計算機來說，時分秒的分級不太友好，所以Linux內(nèi)核中，對32位整型分為5個級別，第一個等級存儲0 ~ 255秒 的定時器，第二個等級為 256秒 ~ 256*64秒，第三個等級為 256*64秒 ~ 256*64*64秒，第四個等級為 256*64*64秒 ~ 256*64*64*64秒，第五個等級為 256*64*64*64秒 ~ 256*64*64*64*64秒。如下圖：
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注意：第二級至第五級數(shù)組的第一個槽是不掛任何定時器的。
每級數(shù)組上面都有一個指針，指向當前要執(zhí)行的定時器。每當時間走一秒，Linux首先會移動第一級的指針，然后執(zhí)行當前位置上的定時器。當指針變?yōu)?時，會移動下一級的指針，并把該位置上的定時器重新計算一次并且插入到時間輪中，其他級如此類推。如下圖所示：
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當要執(zhí)行到期的定時器只需要移動第一級數(shù)組上的指針并且執(zhí)行該位置上的定時器列表即可，所以時間復雜度為 O(1)，而插入一個定時器也很簡單，先計算定時器的過期時間范圍在哪一級數(shù)組上，并且連接到該位置上的鏈表即可，時間復雜度也是 O(1)。
Linux時間輪的實現(xiàn)
那么接下來我們看看Linux內(nèi)核是怎么實現(xiàn)時間輪算法的。
定義五個等級的數(shù)組
- #define TVN_BITS 6
- #define TVR_BITS 8
- #define TVN_SIZE (1 << TVN_BITS) // 64
- #define TVR_SIZE (1 << TVR_BITS) // 256
- #define TVN_MASK (TVN_SIZE - 1)
- #define TVR_MASK (TVR_SIZE - 1)
- struct timer_vec {
- int index;
- struct list_head vec[TVN_SIZE];
- };
- struct timer_vec_root {
- int index;
- struct list_head vec[TVR_SIZE];
- };
- static struct timer_vec tv5;
- static struct timer_vec tv4;
- static struct timer_vec tv3;
- static struct timer_vec tv2;
- static struct timer_vec_root tv1;
- void init_timervecs (void)
- {
- int i;
- for (i = 0; i < TVN_SIZE; i++) {
- INIT_LIST_HEAD(tv5.vec + i);
- INIT_LIST_HEAD(tv4.vec + i);
- INIT_LIST_HEAD(tv3.vec + i);
- INIT_LIST_HEAD(tv2.vec + i);
- }
- for (i = 0; i < TVR_SIZE; i++)
- INIT_LIST_HEAD(tv1.vec + i);
- }
上面的代碼定義第一級數(shù)組為 timer_vec_root 類型，其 index 成員是當前要執(zhí)行的定時器指針（對應 vec 成員的下標），而 vec 成員是一個鏈表數(shù)組，數(shù)組元素個數(shù)為256，每個元素上保存了該秒到期的定時器列表，其他等級的數(shù)組類似。
插入定時器
- static inline void internal_add_timer(struct timer_list *timer)
- {
- /*
- * must be cli-ed when calling this
- */
- unsigned long expires = timer->expires;
- unsigned long idx = expires - timer_jiffies;
- struct list_head * vec;
- if (idx < TVR_SIZE) { // 0 ~ 255
- int i = expires & TVR_MASK;
- vec = tv1.vec + i;
- } else if (idx < 1 << (TVR_BITS + TVN_BITS)) { // 256 ~ 16191
- int i = (expires >> TVR_BITS) & TVN_MASK;
- vec = tv2.vec + i;
- } else if (idx < 1 << (TVR_BITS + 2 * TVN_BITS)) {
- int i = (expires >> (TVR_BITS + TVN_BITS)) & TVN_MASK;
- vec = tv3.vec + i;
- } else if (idx < 1 << (TVR_BITS + 3 * TVN_BITS)) {
- int i = (expires >> (TVR_BITS + 2 * TVN_BITS)) & TVN_MASK;
- vec = tv4.vec + i;
- } else if ((signed long) idx < 0) {
- /* can happen if you add a timer with expires == jiffies,
- * or you set a timer to go off in the past
- */
- vec = tv1.vec + tv1.index;
- } else if (idx <= 0xffffffffUL) {
- int i = (expires >> (TVR_BITS + 3 * TVN_BITS)) & TVN_MASK;
- vec = tv5.vec + i;
- } else {
- /* Can only get here on architectures with 64-bit jiffies */
- INIT_LIST_HEAD(&timer->list);
- return;
- }
- /*
- * 添加到鏈表中
- */
- list_add(&timer->list, vec->prev);
- }
internal_add_timer() 函數(shù)的主要工作是計算定時器到期時間所屬的等級范圍，然后把定時器添加到鏈表中。
執(zhí)行到期的定時器
- static inline void cascade_timers(struct timer_vec *tv)
- {
- /* cascade all the timers from tv up one level */
- struct list_head *head, *curr, *next;
- head = tv->vec + tv->index;
- curr = head->next;
- /*
- * We are removing _all_ timers from the list, so we don't have to
- * detach them individually, just clear the list afterwards.
- */
- while (curr != head) {
- struct timer_list *tmp;
- tmp = list_entry(curr, struct timer_list, list);
- next = curr->next;
- list_del(curr);
- internal_add_timer(tmp);
- curr = next;
- }
- INIT_LIST_HEAD(head);
- tv->index = (tv->index + 1) & TVN_MASK;
- }
- static inline void run_timer_list(void)
- {
- spin_lock_irq(&timerlist_lock);
- while ((long)(jiffies - timer_jiffies) >= 0) {
- struct list_head *head, *curr;
- if (!tv1.index) { // 完成了一個輪回, 移動下一個單位的定時器
- int n = 1;
- do {
- cascade_timers(tvecs[n]);
- } while (tvecs[n]->index == 1 && ++n < NOOF_TVECS);
- }
- repeat:
- head = tv1.vec + tv1.index;
- curr = head->next;
- if (curr != head) {
- struct timer_list *timer;
- void (*fn)(unsigned long);
- unsigned long data;
- timer = list_entry(curr, struct timer_list, list);
- fn = timer->function;
- data= timer->data;
- detach_timer(timer);
- timer->list.next = timer->list.prev = NULL;
- timer_enter(timer);
- spin_unlock_irq(&timerlist_lock);
- fn(data);
- spin_lock_irq(&timerlist_lock);
- timer_exit();
- goto repeat;
- }
- ++timer_jiffies;
- tv1.index = (tv1.index + 1) & TVR_MASK;
- }
- spin_unlock_irq(&timerlist_lock);
- }
執(zhí)行到期的定時器主要通過 run_timer_list() 函數(shù)完成，該函數(shù)首先比較當前時間與最后一次運行 run_timer_list() 函數(shù)時間的差值，然后循環(huán)這個差值的次數(shù)，并執(zhí)行當前指針位置上的定時器。每循環(huán)一次對第一級數(shù)組指針進行加一操作，當?shù)谝患墧?shù)組指針變?yōu)?（即所有定時器都執(zhí)行完），那么就移動下一個等級的指針，并把該位置上的定時器重新計算插入到時間輪中，重新計算定時器通過 cascade_timers() 函數(shù)實現(xiàn)。
