Linux Kernel Timers

Kernel依據硬體所提供的不同timer來提供時間相關的服務，例如busy-waiting與sleep-waiting。如果process使用busy-waiting延時等待會浪費掉CPU的時間，反之sleep-waiting可以讓process在等待的這段時間進入睡眠，並交出CPU讓其他的process使用，等時間到了，這process會被叫醒繼續執行。首先，先瞭解一些重要的Kernel Timers變數含義，如jiffies, HZ與xtime。

HZ：
每隔固定週期Linux Kernel會發出timer interrupt，HZ定義每一秒有幾次timer interrupts，而HZ變數是儲存在Kernel變數中，在編譯Kernel之前，可以透過make menuconfig設定此值，設定路徑Processor type and features → Timer frequency (250 HZ)：

如果適當調高HZ值，可以提升系統performance，讓timer interrupts次數變高，相對tasks之間的切換頻率也會變高，對於server而言，在回應clients時間會縮短。但如果HZ值設定太大，會導致系統資源與電源消耗，因為更多的CPU cycles會耗在timer interrupts。可以透過下列指令，檢查系統上的HZ值：

cat /boot/config-`uname -r` | grep '^CONFIG_HZ='

Jiffies：
用來紀錄系統自開幾以來，已經過多少的tick(jiffy)，每發生一次timer interrupt，Jiffies變數會被加一。

底下是一個範例，透過Linux timer再搭配jffies與HZ使用，讓console每五秒印一次訊息。

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Renee Ciou");
MODULE_DESCRIPTION("Timer Module");
MODULE_ALIAS("timer module");

struct timer_list timer;
unsigned long ticks, count;

void timer_func(unsigned long data)
{
    mod_timer(&timer, jiffies + (5 * HZ)); /* 修改或者重新設定timer */
    printk("Timer rescheduled %lu times in %lu seconds\n",
        count++, (jiffies - ticks)/HZ);
}


int timer_module_init(void)
{
    init_timer(&timer); /* 初始化timer struct */
    timer.data = 10; /* 丟給time_func的參數 */
    timer.expires = jiffies + (5 * HZ); /* 5秒後timeout */
    timer.function = timer_func; /* 計時5秒timeout後執行time_func */
    add_timer(&timer); /* 啟動timer */
    ticks = jiffies; /* 紀錄當前的jiffies */

    printk("Timer module loaded");
    return 0;
}


void timer_module_exit(void)
{
    del_timer(&timer); /* 移除timer */
    printk("Timer module unloaded");
}

module_init(timer_module_init);
module_exit(timer_module_exit);

如果要在x86平台上執行，請用下面的Makefile：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m := timer.o

else

KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
all:
        make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
        rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers

endif

如果要在ARM平台上執行，請用下面的Makefile：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m := timer.o

else

KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
all:
        make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
clean:
        rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers

endif

Long Delays
在kernel的世界中，透過jiffies達成的時間延遲，通常被視為long delays。long delays可以用兩種方式實現，分別為busy-looping與sleep-waiting，這兩種方式延遲的優缺點，前面已經解釋過了。底下的範例，3, 4行code實現1秒busy-looping的long delays：

void timer_func(unsigned long data)
{
    unsigned long timeout = jiffies + HZ;
    while (time_before(jiffies, timeout)) continue;
    mod_timer(&timer, jiffies + (5 * HZ));
    printk("Timer rescheduled %lu times in %lu seconds\n",
        count++, (jiffies - ticks)/HZ);
}

上面透過busy-looping實現的long delays會浪費掉1秒CPU時間，不是很好的方式。不過，下面的範例，3, 4行code則是由sleep-waiting實現1秒的long delays，程式在等待過程中，會將CPU讓給其他的process使用。

void timer_func(unsigned long data)
{
    unsigned long timeout = HZ;
    schedule_timeout(timeout);
    mod_timer(&timer, jiffies + (5 * HZ));
    printk("Timer rescheduled %lu times in %lu seconds\n",
        count++, (jiffies - ticks)/HZ);
}

Short Delays
在kernel世界中，小於tick(jiffy)的時間延遲，被視為short delays。這種延遲普遍用於process與interrupt執行環境，但是無法基於jiffy實現此種極短且精準的延遲，由於jiffy單位不夠小。此外，sleep-waiting也不能用於short delays，由於interrupt handlers不允許被shedule或進入sleep，所以short delays只能採用busy-looping方式實現。在kernel API中，已經實現short delays，分別提供 mdelay(), udelay(), 和 ndelay() 這三個函式來達到極短且精準的延遲，而這三個函式是透過loops_per_jiffy實現，去計算需要多少個loop operation來得到精確的delay。