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操作系统定时器原理分析(基于linux0.11)

操作系统的定时器原理是,操作系统维护了一个定时器节点的链表,新增一个定时器节点时,设置一个jiffies值,这是触发定时中断的频率。linux0.11版本里是1秒触发100次,即10毫秒一次。加入新增一个定时器的jiffies值是2,那经过两次定时中断后就会被执行。jiffies值在每次定时中断时会加一。

_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
        ...

下面是定时器的结构图

#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();
}
// 定时中断处理函数
void do_timer(long cpl)
{
  extern int beepcount;
  extern void sysbeepstop(void);

  if (beepcount)
    if (!--beepcount)
      sysbeepstop();
  // 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;
      // 下一个节点
      next_timer = next_timer->next;
      // 执行定时回调函数
      (fn)();
    }
  }
  if (current_DOR & 0xf0)
    do_floppy_timer();
  // 当前进程的可用时间减一,不为0则接着执行,否则可能需要重新调度
  if ((--current->counter)>0) return;
  current->counter=0;
  // 是系统进程则继续执行
  if (!cpl) return;
  // 进程调度
  schedule();
}

本文分享自微信公众号 - 编程杂技(theanarkh),作者:theanarkh

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原始发表时间:2019-08-27

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