在linux操作系統中，定時器扮演著關鍵的角色，它們被用來執行各種延遲任務，像是廣泛使用的系統調用sleep()。該調用的背后就是基于定時器的機制。

Linux內部主要分為兩個類別的定時器：高精度定時器和低精度定時器。低精度定時器的工作原理是依托于硬件時鐘中斷，它的定時精度由HZ值決定，其表示每秒鐘時鐘中斷的次數。譬如，當內核的HZ設置為1000時，意味著每1毫秒會有一次時鐘中斷，這樣低精度定時器就能以1毫秒為最小的時間間隔來設定計時。相反，高精度定時器的精度更高，可以達到納秒級別，它的具體精度還和CPU的主頻緊密相關。

那么，為什么不全面采用高精度定時器呢？原因在于，盡管高精度定時器的時間精度更高，但其運行成本同樣更高。因此，對于那些對時間精度要求不是特別高的場合，采用低精度定時器是更加經濟且實用的選擇。

文章將著重講解Linux內核中低精度定時器的工作原理和具體實現。

時間輪

低精度定時器是基于時鐘中斷實現的，而時鐘中斷的觸發頻率是可以配置的，Linux 內核一般設置為每秒觸發 1000 次，也就是說每隔 1 毫秒就會觸發一次時鐘中斷。

一般來說，內核中可能會存在成千上萬個定時器，那么內核如何能夠快速找到將要到期的定時器呢？

在學習數據結構課程時，我們知道用于快速查找有序數據的數據結構有如何幾種：

• 平衡二叉樹
• 最大堆/最小堆
• 跳躍表
• …

由于這些數據結構的時間復雜度都是 log(n)，對性能要求非常高的內核來說是不能接受的，所以內核使用了一種性能更高的數據結構：時間輪。

時間輪能夠保證在時間復雜度為 log(1) 的情況下找到將要到期的定時器，下面我們將會介紹時間輪的原理。

時間輪的基本思想是通過數組來保存定時器，而數組的索引就是定時器的過期時間。如下圖所示：

如上圖所示的數組中，索引為 1 的槽位存放的是 1 毫秒后超時的定時器列表，索引為 2 的槽位存放的是 2 毫秒后超時的定時器列表，如此類推…

此時，我們可以使用一個指針來指向超時的定時器列表，如下圖所示：

每當時鐘中斷被觸發一次，指針向下移動一位，這樣就能在時間復雜度為 log(1) 的情況下獲取到期的定時器。

這樣雖然能夠在時間復雜度為 log(1) 的情況下找到到期的定時器，但如果超時時間非常大的話，那么用于存儲定時器的數組也會非常巨大，如：定時器的超時時間為 4294967295 毫秒，那么將需要一個大小為 4294967296 的數組。

1. 存儲定時器

為了解決這個問題，內核使用 層級 的概念來減少數組占用的內存空間。其原理如下圖所示：

由于超時時間是一個整數（32 位整型），所以可以將其劃分為 5 個等級，每個級別使用一個數組來表示。例如第一級數組占用 8 個位，所以其大小為 256。而其他級別的數組都占用 6 個位，所以大小都為 64。

一個定時器被存放到哪個數組，是由其超時時間決定的，算法也非常簡單：如果第五級的值不為零，那么將會被存放到第五級數組中，而存放的位置以第五級的值作為索引。

例如，一個定時器的超時時間其第五級的值為 32，那么此定時器將會被存放到第五級數組的第 32 個槽位上。如下圖所示：

如果第五級的值為零，而第四級的值不為零，那么定時器將會被存放在第四級數組中，存放的位置以第四級的值作為索引，如此類推。

從上面的分析可以看出，定時器的超時時間越小，其存放的數組層級就越小。所以：

• 第一級數組存放的是超時時間范圍為 [0, 256) 毫秒的定時器。
• 第二級數組存放的是超時時間范圍為 [256, 16384) 毫秒的定時器（16384 = 256 * 64）。
• 第三級數組存放的是超時時間范圍為 [16384, 1048576) 毫秒的定時器（1048576 = 256 * 64 * 64）。
• 第四級數組存放的是超時時間范圍為 [1048576, 67108864) 毫秒的定時器（67108864 = 256 * 64 * 64 * 64）。
• 第五級數組存放的是超時時間范圍為 [67108864, 4294967296) 毫秒的定時器（4294967296 = 256 * 64 * 64 * 64 * 64）。

2. 執行定時器

接下來，我們將要分析內核是如何選擇到期的定時器來執行的。

如果所有定時器只存儲在一級數組中，那么選擇到期的定時器就非常簡單：由于數組每個槽位的索引對應著定時器的超時時間，所以只需要在時鐘中斷發生時，執行到期指針指向的定時器列表。執行完畢后，將到期指針移動到下一個位置即可。如下圖所示：

但對于定時器存儲在多級數組的情況，算法就變得復雜很多。

從上面的分析可知，第一級數組存放的是 0 ～ 255 毫秒后到期的定時器列表，而數組的索引對應的就是定時器的超時時間。如下圖所示：

而其他等級的數組，每個槽位存放的定時器其超時時間并不是一個固定的值，而是一個范圍，范圍與數組的等級和槽位的索引值有關，其計算方式為：

256?*?64^n?*?槽位索引?

在上面的公式中，n 的值等于 數組的等級 減去 2。所以對于第二級數組來說，其公式如下：

256?*?槽位索引?

第三級數組公式如下：

256?*?64?*?槽位索引?

第四和第五級數組如此類推。

由于內核不會使用索引為 0 的槽位，所以第二、第三級數組的定時器如下圖所示：

內核只會執行第一級數組中的定時器，每當時鐘中斷觸發時，會執行第一級數組 到期指針 指向的定時器列表，執行完畢后會將 到期指針 向下移動一位。如下圖所示：

當到期指針執行完最后一個槽位的定時器列表后，會重新移動到第一個槽位。

那么其他級別數組的定時器在什么時候才會被執行呢？其實對于其他級別的數組也有一個 到期指針，每當前一級別的數組執行完一輪后，當前級別數組的 到期指針 將會移動到下一個槽位，如：當第一級數組執行一輪后，第二級數組的 到期指針 將會移動到下一個槽位。

其他級別的數組（非第一級數組）移動 到期指針 時，會將指針指向的定時器列表從數組中刪除，并且重新添加到內核中。如下圖所示：

如上圖所示，第一級數組執行一輪后，內核將會把第二級數組的到期指針指向的定時器列表刪除，并且重新添加到內核中。然后，將會把到期指針移動到下一個槽位。

第三級數組也會在第二級數組執行一輪后，將其到期指針指向的定時器列表刪除，并且重新添加到內核中。接著將到期指針移動到下一個槽位，其他級別的數組如此類推。

源碼實現

接下來，我們將會分析 Linux 內核是如何實現低精度定時器的。由于高版本的內核其實現與上面介紹的原理有些區別，但基本原理是一致的，這里我們將使用 2.4.37 版本作為分析的對象。

1. 五個等級數組

如上面分析一致，在 Linux 內核中定義了 5 個數組來存放系統中的定時器，如下代碼所示：

struct?timer_vec?{ ?int?index;?????//?到期指針 ?struct?list_head?vec[64]; };  struct?timer_vec_root?{ ?int?index;?????//?到期指針 ?struct?list_head?vec[256]; };  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; 

上面代碼中，tv1、tv2、tv3、tv4、tv5 分別對應第一級、二級、三級、四級和五級數組。

通過代碼可知，數組元素的類型為鏈表，用于存放不同到期時間的定時器。另外，除了第一級數組的元素個數是 256 個外，其他級別的數組的元素個數都是 64 個。每個級別的數組都有一個到期指針，用于指向當前正在執行的定時器列表。

我們接著來看看內核怎么初始化這些數組的，內核調用 init_timervecs() 函數來初始化各級數組。代碼如下：

void?init_timervecs(void) { ????int?i;  ????for?(i?=?0;?i?for?(i?=?0;?i?

init_timervecs() 主要通過 INIT_LIST_HEAD 宏來初始化各級數組的元素。

2. 定時器對象

在內核中，定時器使用 timer_list 對象來表示，其定義如下：

struct?timer_list?{ ????struct?list_head?list; ????unsigned?long?expires; ????unsigned?long?data; ????void?(*function)(unsigned?long); }; 

下面介紹一下 timer_list 對象各個字段的作用：

• list：用于連接到期時候相同的定時器。
• expires：定時器的到期時間。
• data：傳給回調函數的數據。
• function：定時器到期后，將會調用的回調函數。

我們要向內核添加一個定時器時，需要先創建一個 timer_list 對象，并且設置其到期時間和回調函數。

3. 添加定時器

在內核中，可以使用 add_timer() 函數來添加一個定時器。其代碼如下所示：

void?add_timer(struct?timer_list?*timer) { ????unsigned?long?flags;  ????//?上鎖 ????spin_lock_irqsave(&timerlist_lock,?flags); ????... ????//?向內核添加定時器 ????internal_add_timer(timer); ????//?解鎖 ????spin_unlock_irqrestore(&timerlist_lock,?flags); ????return; } 

從上面代碼可以看出，add_timer() 函數主要通過調用 internal_add_timer() 函數來添加定時器。我們繼續來分析 internal_add_timer() 函數的實現，代碼如下：

static?inline?void?internal_add_timer(struct?timer_list?*timer) { ????unsigned?long?expires?=?timer->expires; ????unsigned?long?idx?=?expires?-?timer_jiffies;?//?多少毫秒數后到期 ????struct?list_head?*?vec;  ????if?(idx?else?if?(idx?>?TVR_BITS)?&?TVN_MASK; ????????vec?=?tv2.vec?+?i; ????}?else?if?(idx?>?(TVR_BITS?+?TVN_BITS))?&?TVN_MASK; ????????vec?=??tv3.vec?+?i; ????}?else?if?(idx?>?(TVR_BITS?+?2?*?TVN_BITS))?&?TVN_MASK; ????????vec?=?tv4.vec?+?i; ????}?else?if?((signed?long)?idx?else?if?(idx?>?(TVR_BITS?+?3?*?TVN_BITS))?&?TVN_MASK; ????????vec?=?tv5.vec?+?i; ????}?else?{ ????????INIT_LIST_HEAD(&timer->list); ????????return; ????}  ????list_add(&timer->list,?vec->prev); } 

internal_add_timer() 函數首先會計算定時器還有多少毫秒到期，然后按照到期的毫秒數來選擇對應的級別數組：

• 如果到期時間小于256毫秒，那么將會添加到第一級數組中。
• 如果到期時間大于等于256毫秒，并且小于16384毫米，那么將會添加到第二級數組中。
• 其他等級如此類推。

選擇到合適的數組后，內核會調用 list_add() 函數將定時器添加到對應槽位的鏈表中。

4. 執行到期的定時器

內核會在時鐘中斷中通過調用 run_timer_list() 函數來執行到期的定時器，其實現如下：

static?inline?void?run_timer_list(void) { ????... ????while?((long)(jiffies?-?timer_jiffies)?>=?0)?{ ????????struct?list_head?*head,?*curr;  ????????//?1.?如果第一級數組已經執行完一輪（到期指針變為0） ????????if?(!tv1.index)?{ ????????????int?n?=?1; ????????????do?{ ????????????????cascade_timers(tvecs[n]); ????????????}?while?(tvecs[n]->index?==?1?&&?++n?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;  ????????????//?4.?把定時器從鏈表中刪除 ????????????detach_timer(timer); ????????????timer->list.next?=?timer->list.prev?=?NULL; ????????????timer_enter(timer);  ????????????spin_unlock_irq(&timerlist_lock); ????????????//?5.?執行定時器的回調函數 ????????????fn(data); ????????????spin_lock_irq(&timerlist_lock);  ????????????timer_exit(); ????????????goto?repeat; ????????} ????????++timer_jiffies; ????????//?6.?將到期指針移動一個位置 ????????tv1.index?=?(tv1.index?+?1)?&?TVR_MASK; ????} ????... } 

run_timer_list() 函數主要按照以下步驟來執行到期的定時器：

1. 如果第一級數組已經執行完一輪（也就是說，到期指針變為0時），通過調用 cascade_timers() 函數來計算其他等級當前到期指針指向的定時器列表（重新添加到內核中）。
2. 遍歷第一級數組的到期指針指向的定時器列表。
3. 把定時器從鏈表中刪除。
4. 執行定時器的回調函數。
5. 將到期指針移動一個位置。

從時間輪的原理可知，每當某一級數組執行完一輪后，就會移動下一級數組的到期指針，并且將指針指向的定時器列表重新添加到內核中，這個過程由 cascade_timers() 函數完成。代碼如下所示：

static?inline?void?cascade_timers(struct?timer_vec?*tv) { ????struct?list_head?*head,?*curr,?*next;  ????head?=?tv->vec?+?tv->index; ????curr?=?head->next;  ????//?1.?遍歷定時器列表 ????while?(curr?!=?head)?{ ????????struct?timer_list?*tmp;  ????????tmp?=?list_entry(curr,?struct?timer_list,?list); ????????next?=?curr->next; ????????list_del(curr); ????????//?2.?將定時器重新添加到內核中 ????????internal_add_timer(tmp); ????????curr?=?next; ????} ????INIT_LIST_HEAD(head); ????//?3.?將到期指針移動到下一個位置 ????tv->index?=?(tv->index?+?1)?&?TVN_MASK; } 

總結

本文主要介紹低精度定時器的實現，低精度定時器是一種比較廉價（占用資源較低）的定時器，如果對定時器的到期時間精度不太高的情況下，可以優先使用低精度定時。