Linux定時器的使用和原理

一、定時器基礎知識

定時器是一種常見的軟體機制，可以用來實現任務調度、超時處理、定期操作等功能。在Linux內核中，定時器由內核模塊提供，通常使用內核API管理和操作。

Linux定時器支持兩種類型：系統定時器和CPU定時器。系統定時器是一組全局的定時器，可以用於實現延時、周期性觸發等功能；CPU定時器是一組與CPU綁定的定時器，可以實現與進程調度、時鐘中斷相關的功能。

對於系統定時器，它們通常與內核中的軟體時鐘相關聯。時鐘定時器（timer_list）是一種維護在內核時鐘隊列中的定時器，由內核模塊進行管理和操作。

二、使用系統定時器

在Linux內核中，使用系統定時器可以使用多種方式實現。最常用的方式是使用timer處理器，它是一種高級機制，通過封裝時鐘計數器的基礎操作來管理定時器。

1. 創建定時器

struct timer_list timer;
void timer_func(unsigned long arg)
{
    /* 處理函數 */
}
init_timer(&timer);
timer.function = timer_func;
timer.expires = jiffies + HZ;
add_timer(&timer);

上述代碼創建了一個定時器timer，設置了定時器的處理函數為timer_func，並設置定時器的過期時間為當前時鐘tick數加上1秒。

2. 操作定時器

定時器創建後，可以使用一系列API函數對其進行操作。下面列出了定時器的API函數。

– void init_timer(struct timer_list *timer)：初始化定時器
– void add_timer(struct timer_list *timer)：添加定時器到內核定時器隊列中
– int del_timer(struct timer_list *timer)：將定時器從內核定時器隊列中刪除
– int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)：修改定時器的過期時間

3. 銷毀定時器

del_timer(&timer);

三、使用CPU定時器

CPU定時器是一種與進程調度、時鐘中斷相關的定時器。在Linux內核中，CPU定時器是通過hrtimer機制實現的。hrtimer是一種高精度定時器機制，它可以實現微秒級別的精度控制。

1. 創建定時器

enum hrtimer_restart hrtimer_func(struct hrtimer *timer)
{
    /* 處理函數 */
    return HRTIMER_RESTART;
}
struct hrtimer hr_timer;
ktime_t ktime;
ktime = ktime_set(0, 10000);
hrtimer_init(&hr_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
hr_timer.function = hrtimer_func;
hrtimer_start(&hr_timer, ktime, HRTIMER_MODE_REL);

上述代碼創建了一個hrtimer定時器hr_timer，設置了定時器的處理函數為hrtimer_func，並設置了定時器的過期時間為10000納秒（10微秒）。

2. 操作定時器

定時器創建後，可以使用一系列API函數對其進行操作。下面列出了hrtimer的API函數。

– void hrtimer_init(struct hrtimer *timer, clockid_t clock_id, enum hrtimer_mode mode)：初始化定時器
– int hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode)：添加定時器到內核定時器隊列中
– int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer)：將定時器從內核定時器隊列中刪除
– ktime_t ktime_set(const s64 secs, const unsigned long nsecs)：設置時間，單位為納秒

3. 銷毀定時器

hrtimer_cancel(&hr_timer);

四、定時器的原理

定時器的實現原理是通過CPU時鐘中斷來實現的。當定時器到期時，硬體時鐘中斷會觸發內核的定時器處理函數。在處理函數中，開發人員可以進行相關任務的處理或觸發下一個時鐘周期的操作。

在Linux內核中，定時器實現是基於內核定時器隊列的。該隊列維護了一組按照到期時間排序的定時器，定時器的處理函數將在到期時被觸發。

使用系統定時器和CPU定時器時需要注意一些問題。例如，在內核中添加系統定時器或CPU定時器時，需要在進程上下文外執行，否則會發生死鎖；在定時器處理函數中，需要避免長時間執行耗時操作。