高精度定时器¶

传统的定时器精度不足，只能支持 Tick 级别的精度(ms级别)。为了支持更高的精度(ns级别)，内核独立设计了一个 hrtimer(high resolution timer)：使用红黑树来组织，新的定时器按顺序被插入到红黑树中，树的最左边的节点就是最快到期的定时器。

高精度定时器建立在 Per CPU 变量上，每个 CPU 都有一个独立的定时器。它有两种工作模式：低精度模式和高精度模式。

关键数据结构¶

struct hrtimer结构体表示一个高精度定时器：

struct hrtimer {
    struct timerqueue_node      node;
    ktime_t             _softexpires;
    enum hrtimer_restart        (*function)(struct hrtimer *);
    struct hrtimer_clock_base   *base;
    u8              state;
    u8              is_rel;
    u8              is_soft;
    u8              is_hard;
};

node：红黑树节点

_softexpires：软超时时间

function：定时器到期时调用的回调函数，该函数的返回值决定了定时器是否需要重新启动

base：指向包含该高精度定时器的hrtimer_clock_base结构体

state：高精度定时器状态，有两种状态：HRTIMER_STATE_INACTIVE（未激活）和HRTIMER_STATE_ACTIVE（激活）

is_rel：表示到期时间是否是相对时间

is_soft：表示定时器是否是软定时器

is_hard：表示定时器是否是硬定时器

高精度定时器的到期时间有以下几种：

enum  hrtimer_base_type {
    HRTIMER_BASE_MONOTONIC,
    HRTIMER_BASE_REALTIME,
    HRTIMER_BASE_BOOTTIME,
    HRTIMER_BASE_TAI,
    HRTIMER_BASE_MONOTONIC_SOFT,
    HRTIMER_BASE_REALTIME_SOFT,
    HRTIMER_BASE_BOOTTIME_SOFT,
    HRTIMER_BASE_TAI_SOFT,
    HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES,
};

出于效率的考虑，每个 CPU 都需要管理自己的高精度定时器，为此专门定义了一个结构struct hrtimer_cpu_base：

struct hrtimer_cpu_base {
        ......
    struct hrtimer_clock_base   clock_base[HRTIMER_MAX_CLOCK_BASES];
};

clock_base数组为每种时间基准系统(hrtimer_base_type)都定义了struct hrtimer_clock_base结构体：

struct hrtimer_clock_base {
    struct hrtimer_cpu_base *cpu_base;
    unsigned int        index;
    clockid_t       clockid;
    seqcount_raw_spinlock_t seq;
    struct hrtimer      *running;
    struct timerqueue_head  active;
    ktime_t         (*get_time)(void);
    ktime_t         offset;
} __hrtimer_clock_base_align;

其中 active 字段封装了红黑树：

struct timerqueue_head {
    struct rb_root_cached rb_root;
};

struct rb_root_cached {
    struct rb_root rb_root;
    struct rb_node *rb_leftmost;
};

rb_leftmost指针指向了红黑树中最先到期的定时器。

hrtimer

使用方法¶

创建一个高精度定时器：

struct hrtimer hr_timer;

初始化定时器：

void hrtimer_init(struct hrtimer *timer, clockid_t which_clock, 
                  enum hrtimer_mode mode);

定时器初始化时，需要指定定时模式和时钟类型。

定时模式有以下几种：

HRTIMER_MODE_ABS：绝对定时模式。定时器将在一个特定的未来时间点到期。
HRTIMER_MODE_REL：相对定时模式。定时器将在当前时间点之后的指定时间间隔到期。
HRTIMER_MODE_PINNED：固定定时模式。定时器将绑定到某个 CPU 上
HRTIMER_MODE_SOFT：软定时模式。定时器回调函数将在软中断上下文中执行。
HRTIMER_MODE_HARD：硬定时模式。定时器回调函数将在硬中断上下文中执行。

时钟类型主要有以下几种：

CLOCK_REALTIME：系统实时时间，即日历时间
CLOCK_MONOTONIC：从系统启动开始到现在为止的时间，休眠不会增加
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID：当前进程启动到执行到当前代码，系统花费的时间
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID：当前线程启动到执行到当前代码，系统花费的时间
CLOCK_BOOTTIME：系统从上电开始到现在为止的时间，休眠也会增加

启动一个高精度定时器：

int hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t time,
                  const enum hrtimer_mode mode);

如果需要制定到期范围，则可以使用hrtimer_start_range_ns()函数激活定时器：

void hrtimer_start_range_ns(struct hrtimer *timer, ktime_t tim,
                    u64 range_ns, const enum hrtimer_mode mode);

取消一个正在运行的高精度定时器：

int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer);

高精度定时器的使用

#include <linux/hrtimer.h>
#include <linux/ktime.h>

// 定义一个高精度定时器的回调函数
static enum hrtimer_restart my_hrtimer_callback(struct hrtimer *timer_for_my_hrtimer)
{
    // 定时器到期的处理逻辑
    // ...

    // 如果需要，重新启动定时器
    // hrtimer_start(timer_for_my_hrtimer, ktime_set(0, 1000000), HRTIMER_MODE_REL);

    return HRTIMER_NORESTART; // 或者 HRTIMER_RESTART
}

void my_hrtimer_function(void)
{
    struct hrtimer hr_timer;
    ktime_t ktime;

    // 初始化定时器
    hrtimer_init(&hr_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);

    // 设置定时器的回调函数
    hr_timer.function = &my_hrtimer_callback;

    // 设置定时时间（例如，1毫秒后）
    ktime = ktime_set(0, 1000000); // 0秒，1000000纳秒

    // 启动定时器
    hrtimer_start(&hr_timer, ktime, HRTIMER_MODE_REL);
}