Linux 时钟处理机制（3）软件时钟处理-1

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3 软件时钟处理这里所说“软件时钟”指的是软件定时器（ Software Timers ），是一个软件上的概念，是建立在硬件时钟基础之上的。它记录了未来某一时刻要执行的操作（函数），并使得当这一时刻真正到来时，这些操作（函数）能够被按时执行。举个例子说明：它就像生活中的闹铃，给闹铃设定振铃时间（未来的某一时间）后，当时间（相当于硬件时钟）更新到这个振铃时间后，闹铃就会振铃。这个振铃时间好比软件时钟的到期时间，振铃这个动作好比软件时钟到期后要执行的函数，而闹铃时间更新好比硬件时钟的更新。
实现软件时钟原理也比较简单：每一次硬件时钟中断到达时，内核更新的 jiffies ，然后将其和软件时钟的到期时间进行比较。如果 jiffies 等于或者大于软件时钟的到期时间，内核就执行软件时钟指定的函数。
接下来的几节会详细介绍 Linux2.6.25 是怎么实现软件时钟的。
3.1 相关数据结构

• struct timer_list ：软件时钟，记录了软件时钟的到期时间以及到期后要执行的操作。具体的成员以及含义见表3-1。
• struct tvec_base ：用于组织、管理软件时钟的结构。在 SMP 系统中，每个 CPU 有一个。具体的成员以及含义参见表3-2。

表3-1 struct timer_list 主要成员域名类型描述entrystruct list_head所在的链表expiresunsigned long到期时间，以 tick 为单位functionvoid (*)(unsigned long)回调函数，到期后执行的操作dataunsigned long回调函数的参数basestruct tvec_base *记录该软件时钟所在的 struct tvec_base 变量
注：一个 tick 表示的时间长度为两次硬件时钟中断发生时的时间间隔

表3-2 struct tvec_base 类型的成员域名类型描述lockspinlock_t用于同步操作running_timerstruct timer_list *正在处理的软件时钟timer_jiffiesunsigned long当前正在处理的软件时钟到期时间tv1struct tvec_root保存了到期时间从 timer_jiffies 到 timer_jiffies  + 之间（包括边缘值）的所有软件时钟tv2struct tvec保存了到期时间从 timer_jiffies + 到 timer_jiffies +之间（包括边缘值）的 所有软件时钟tv3struct tvec保存了到期时间从 timer_jiffies +到 timer_jiffies +之间（包括边缘值）的所有软件时钟tv4struct tvec保存了到期时间从 timer_jiffies +到 timer_jiffies +之间（包括边缘值）的所有软件时钟tv5struct tvec保存了到期时间从 timer_jiffies +到 timer_jiffies +之间（包括边缘值）的所有软件时钟
其中 tv1 的类型为 struct tvec_root ，tv 2~ tv 5的类型为 struct tvec ，清单3-1显示它们的定义
清单3-1 struct tvec_root 和 struct tvec 的定义

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struct tvec {     struct list_head vec[TVN_SIZE]; }; struct tvec_root {     struct list_head vec[TVR_SIZE]; };

可见它们实际上就是类型为 struct list_head 的数组，其中 TVN_SIZE 和 TVR_SIZE 在系统没有配置宏 CONFIG_BASE_SMALL 时分别被定义为64和256。
3.2 数据结构之间的关系图3-1显示了以上数据结构之间的关系：从图中可以清楚地看出：软件时钟（ struct timer_list ，在图中由 timer 表示）以双向链表（ struct list_head ）的形式，按照它们的到期时间保存相应的桶（ tv1~tv5 ）中。tv1 中保存了相对于 timer_jiffies 下256个 tick 时间内到期的所有软件时钟； tv2 中保存了相对于 timer_jiffies 下256*64个 tick 时间内到期的所有软件时钟； tv3 中保存了相对于 timer_jiffies 下256*64*64个 tick 时间内到期的所有软件时钟； tv4 中保存了相对于 timer_jiffies 下256*64*64*64个 tick 时间内到期的所有软件时钟； tv5 中保存了相对于 timer_jiffies 下256*64*64*64*64个 tick 时间内到期的所有软件时钟。具体的说，从静态的角度看，假设 timer_jiffies 为0，那么 tv1[0] 保存着当前到期（到期时间等于 timer_jiffies ）的软件时钟（需要马上被处理）， tv1[1] 保存着下一个 tick 到达时，到期的所有软件时钟， tv1[n] （0<= n <=255）保存着下 n 个 tick 到达时，到期的所有软件时钟。而 tv2[0] 则保存着下256到511个 tick 之间到期所有软件时钟， tv2[1] 保存着下512到767个 tick 之间到期的所有软件时钟， tv2[n] （0<= n <=63）保存着下256*(n+1)到256*(n+2)-1个 tick 之间到达的所有软件时钟。 tv3~tv5 依次类推。
注：一个tick的长度指的是两次硬件时钟中断发生之间的时间间隔

从上面的说明中可以看出：软件时钟是按照其到期时间相对于当前正在处理的软件时钟的到期时间（ timer_jiffies 的数值）保存在 struct tvec_base 变量中的。而且这个到期时间的最大相对值（到期时间 - timer_jiffies ）为 0xffffffffUL （ tv5 最后一个元素能够表示的相对到期时间的最大值）。
还需要注意的是软件时钟的处理是局部于 CPU 的，所以在 SMP 系统中每一个 CPU 都保存一个类型为 struct tvec_base 的变量，用来组织、管理本 CPU 的软件时钟。从图中也可以看出 struct tvec_base 变量是 per-CPU 的（关于 per-CPU 的变量原理和使用参见参考资料）。
由于以后的讲解经常要提到每个 CPU 相关的 struct tvec_base 变量，所以为了方便，称保存软件时钟的 struct tvec_base 变量为该软件时钟的 base ，或称 CPU 的 base 。