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内核定时器2-高分辨率定时器

news 来源：原创 2025/5/16 16:36:22

高分辨率定时器与低分辨率定时器

高分辨率定时器与低分辨率定时器相比，有如下两个根本性的不同。

(1) 高分辨率定时器使用红黑树对定时器进行管理。

(2) 定时器独立于周期时钟。即不基于jiffies，精度可以达到纳秒级别。

内核2.6.16版本开始，支持高分辨率定时器。在该版本中，低分辨率定时器的经典实现的基础部分已经替换为新的实现，该实现基于高分辨率定时器框架。由于低分辨率定时器的实现基于高分辨率机制，即使不启用高分辨率定时器，内核中也会联编（一部分）对高分辨率定时器的支持。当然，这种情况下系统只能够提供低分辨率定时功能。

启动高分辨率定时器的情况下，内核还会使用低分辨率定时器吗？

即使启用了高精度定时器，内核仍然会使用低精度定时器（基于 jiffies 的定时器）来处理一些对精度要求不高的任务。低精度定时器的分辨率通常为 1 毫秒左右，适用于不需要高频次定时的任务，如普通的调度、系统心跳等。

高精度定时器则用于处理对时间精度要求较高的任务。内核会根据任务的不同需求选择使用哪种定时器。

系统jiffies的更新频率，仍然是HZ。

**jiffies**** 和高精度定时器的关系**：

- 高精度定时器引入后，定时中断可能会被优化为仅在需要的时间点触发（即“动态时钟中断”或“tickless”模式），从而减少不必要的中断。
- 即便如此，`jiffies` 的更新逻辑仍然在适当的中断触发时执行。只要时钟中断发生，`jiffies` 的值就会按照既定频率递增。

高精度定时器的实现基础

高分辨率定时器不基于jiffies，基于什么呢？

定时器到期时间不受内核 HZ 值限制，而是以硬件支持的高精度计时器为基础。

硬件定时器（如 APIC、HPET 或 TSC）通常具有可编程功能，内核可以设置一个**特定的时间点**，让定时器在那一刻触发中断。

实现方式:

- 内核计算出下一个需要处理的高精度事件的时间。
- 将该时间点编程到硬件定时器中。
- 硬件定时器在设定时间到达时触发中断。

内核相关配置：

配置高精度定时器需要启用 CONFIG_HIGH_RES_TIMERS 选项。

支持NO_HZ模式，启用CONFIG_NO_HZ，CONFIG_NO_HZ_IDLE等选项。

高分辨率定时器的分辨率如果是1ns，那么是每一纳秒产生一次中断吗？

当然不是。分辨率是指定时器可以精确到的时间单位（1ns），而不是指中断的触发频率。

高分辨率定时器的分辨率受限于以下因素：

- 硬件定时器的最小编程间隔。
- 系统的 CPU 频率或时钟源的频率。
- 内核的调度和响应能力。

实际行为

- 如果一个高分辨率定时器设置为在 10 毫秒后触发，中断只会在 10 毫秒后发生一次，而不会在这期间产生任何额外的中断。
- 高分辨率定时器仅在必要时触发中断，不会通过定期轮询或高频中断来实现其功能。

硬件时钟源与内核时钟中断

- 现代系统中的硬件时钟源（如 HPET 或 TSC）具有非常高的精度，但并不需要让它们频繁触发中断。
- Linux 内核通过一种称为 **"tickless" (NO_HZ)** 的机制，避免了定时器频繁中断：* 在空闲状态时，系统时钟不会周期性地触发中断。* 只有在需要处理事件时才设置和触发下一次中断。

数据结构

struct hrtimer

struct hrtimer {struct timerqueue_node node;       // Red-black tree nodektime_t _softexpires;              // Soft expiration timeenum hrtimer_restart (*function)(struct hrtimer *);  // Callback functionstruct hrtimer_clock_base *base;     // Base clock base structureu8 state;                          // State flagsu8 is_rel;                         // Relative or absolute timeout flagu8 is_soft;                        // Software interrupt handling flagu8 is_hard;                        // Hardware interrupt handling flag
};

node: 红黑树节点，用于组织定时任务。使用红黑树管理timer。
_softexpires: 定时任务的软到期时间。
function: 回调函数指针，定时任务到期时执行的操作。
base: 关联的时钟基础结构。
state, is_rel, is_soft, is_hard: 各种标志位，控制定时任务的行为。

API

初始化定时器

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

启动定时器

void hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim,const enum hrtimer_mode mode);

取消定时器

int hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer);

高分辨率定时器与低分辨率定时器

高精度定时器的实现基础

数据结构

struct hrtimer

API

处理流程

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