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鴻蒙內核源碼分析之定時器的狀態、分類、管理

鴻蒙系統HarmonyOS ? 來源:my.oschina ? 作者: 鴻蒙內核源碼分析 ? 2021-04-25 17:01 ? 次閱讀

運作機制

軟件定時器,是基于系統Tick時鐘中斷且由軟件來模擬的定時器。當經過設定的Tick數后,會觸發用戶自定義的回調函數。

軟件定時器是系統資源,在模塊初始化的時候已經分配了一塊連續內存。

軟件定時器使用了系統的一個隊列和一個任務資源,軟件定時器的觸發遵循隊列規則,先進先出。定時時間短的定時器總是比定時時間長的靠近隊列頭,滿足優先觸發的準則。

軟件定時器以Tick為基本計時單位,當創建并啟動一個軟件定時器時,鴻蒙會根據當前系統Tick時間及設置的定時時長確定該定時器的到期Tick時間,并將該定時器控制結構掛入計時全局鏈表。

當Tick中斷到來時,在Tick中斷處理函數中掃描軟件定時器的計時全局鏈表,檢查是否有定時器超時,

若有則將超時的定時器記錄下來。Tick中斷處理函數結束后,軟件定時器任務(優先級為最高)被喚醒,在該任務中調用已經記錄下來的定時器的回調函數。

定時器長什么樣?

typedef VOID (*SWTMR_PROC_FUNC)(UINTPTR arg);//函數指針, 賦值給 SWTMR_CTRL_S->pfnHandler,回調處理
typedef struct tagSwTmrCtrl {//軟件定時器控制塊
    SortLinkList stSortList;//通過它掛到對應CPU核定時器鏈表上
    UINT8 ucState;      /**< Software timer state *///軟件定時器的狀態
    UINT8 ucMode;       /**< Software timer mode *///軟件定時器的模式
    UINT8 ucOverrun;    /**< Times that a software timer repeats timing *///軟件定時器重復計時的次數
    UINT16 usTimerID;   /**< Software timer ID *///軟件定時器ID,唯一標識,由軟件計時器池分配
    UINT32 uwCount;     /**< Times that a software timer works *///軟件定時器工作的時間
    UINT32 uwInterval;  /**< Timeout interval of a periodic software timer *///周期性軟件定時器的超時間隔
    UINT32 uwExpiry;    /**< Timeout interval of an one-off software timer *///一次性軟件定時器的超時間隔
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    UINT32 uwCpuid;     /**< The cpu where the timer running on *///多核情況下,定時器運行的cpu
#endif
    UINTPTR uwArg;      /**< Parameter passed in when the callback function
                             that handles software timer timeout is called *///回調函數的參數
    SWTMR_PROC_FUNC pfnHandler; /**< Callback function that handles software timer timeout */	//處理軟件計時器超時的回調函數
    UINT32          uwOwnerPid; /** Owner of this software timer *///軟件定時器所屬進程ID號
} SWTMR_CTRL_S;//變量前綴 uc:UINT8  us:UINT16 uw:UINT32

解讀

在多CPU核情況下,定時器是跟著CPU走的,每個CPU核都維護著獨立的定時任務鏈表,上面掛的都是CPU核要處理的定時器.

stSortList的背后是雙向鏈表,這對鉤子在定時器創建的那一刻會鉤到CPU的swtmrSortLink上去.

pfnHandler定時器時間到了的執行函數,由外界指定.uwArg為回調函數的參數

ucMode為定時器模式,軟件定時器提供了三類模式

單次觸發定時器,這類定時器在啟動后只會觸發一次定時器事件,然后定時器自動刪除。 周期觸發定時器,這類定時器會周期性的觸發定時器事件,直到用戶手動停止定時器,否則將永遠持續執行下去。 單次觸發定時器,但這類定時器超時觸發后不會自動刪除,需要調用定時器刪除接口刪除定時器。

ucState定時器狀態.

OS_SWTMR_STATUS_UNUSED(定時器未使用) 系統在定時器模塊初始化時,會將系統中所有定時器資源初始化成該狀態。 OS_SWTMR_STATUS_TICKING(定時器處于計數狀態) 在定時器創建后調用LOS_SwtmrStart接口啟動,定時器將變成該狀態,是定時器運行時的狀態。 OS_SWTMR_STATUS_CREATED(定時器創建后未啟動,或已停止) 定時器創建后,不處于計數狀態時,定時器將變成該狀態。

定時器分類

定時器是指從指定的時刻開始,經過一定的指定時間后觸發一個事件,例如定個時間提醒晚上9點準時秒殺。定時器有硬件定時器和軟件定時器之分:

硬件定時器是芯片本身提供的定時功能。一般是由外部晶振提供給芯片輸入時鐘,芯片向軟件模塊提供一組配置寄存器,接受控制輸入,到達設定時間值后芯片中斷控制器產生時鐘中斷。硬件定時器的精度一般很高,可以達到納秒級別,并且是中斷觸發方式。

軟件定時器是由操作系統提供的一類系統接口,它構建在硬件定時器基礎之上,使系統能夠提供不受數目限制的定時器服務。

鴻蒙內核提供軟件實現的定時器,以時鐘節拍(OS Tick)的時間長度為單位,即定時數值必須是 OS Tick 的整數倍,例如鴻蒙內核默認是10ms觸發一次,那么上層軟件定時器只能是 10ms,20ms,100ms 等,而不能定時為 15ms。

定時器怎么管理?

LITE_OS_SEC_BSS SWTMR_CTRL_S    *g_swtmrCBArray = NULL;     /* First address in Timer memory space *///定時器池
LITE_OS_SEC_BSS UINT8           *g_swtmrHandlerPool = NULL; /* Pool of Swtmr Handler *///用于注冊軟時鐘的回調函數
LITE_OS_SEC_BSS LOS_DL_LIST     g_swtmrFreeList;            /* Free list of Software Timer *///空閑定時器鏈表

typedef struct {//處理軟件定時器超時的回調函數的結構體
    SWTMR_PROC_FUNC handler;    /**< Callback function that handles software timer timeout  */	//處理軟件定時器超時的回調函數
    UINTPTR arg;                /**< Parameter passed in when the callback function
                                    that handles software timer timeout is called */	//調用處理軟件計時器超時的回調函數時傳入的參數
} SwtmrHandlerItem;

解讀三個全局變量可知,定時器是通過池來管理,在初始化階段賦值.

g_swtmrCBArray定時器池,初始化中一次性創建1024個定時器控制塊供使用

g_swtmrHandlerPool回調函數池,回調函數也是統一管理的,申請了靜態內存保存. 池中放的是SwtmrHandlerItem回調函數描述符.

g_swtmrFreeList空閑可供分配的定時器鏈表,鴻蒙的進程池,任務池,事件池都是這么處理的,沒有印象的自行去 鴻蒙內核源碼分析(總目錄)< OSCHINA?| CSDN >翻看.g_swtmrFreeList上掛的是一個個的SWTMR_CTRL_S

要搞明白SWTMR_CTRL_S和SwtmrHandlerItem的關系,前者是一個定時器,后者是定時器時間到了去哪里干活.

初始化 -> OsSwtmrInit

o4YBAGCFL8GALCIQAADrSvg0k10281.png

#define LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT 1024 // 最大支持的軟件定時器數
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSwtmrInit(VOID)
{
    UINT32 size;
    UINT16 index;
    UINT32 ret;
    SWTMR_CTRL_S *swtmr = NULL;
    UINT32 swtmrHandlePoolSize;
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
    if (cpuid == 0) {//確保以下代碼塊由一個CPU執行,g_swtmrCBArray和g_swtmrHandlerPool 是所有CPU共用的
        size = sizeof(SWTMR_CTRL_S) * LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;//申請軟時鐘內存大小 
        swtmr = (SWTMR_CTRL_S *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, size); /* system resident resource */ //常駐內存
        if (swtmr == NULL) {
            return LOS_ERRNO_SWTMR_NO_MEMORY;
        }

        (VOID)memset_s(swtmr, size, 0, size);//清0
        g_swtmrCBArray = swtmr;//軟時鐘
        LOS_ListInit(&g_swtmrFreeList);//初始化空閑鏈表
        for (index = 0; index < LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT; index++, swtmr++) {
            swtmr->usTimerID = index;//按順序賦值
            LOS_ListTailInsert(&g_swtmrFreeList, &swtmr->stSortList.sortLinkNode);//通過sortLinkNode將節點掛到空閑鏈表 
        }
        //想要用靜態內存池管理,就必須要使用LOS_MEMBOX_SIZE來計算申請的內存大小,因為需要點前綴內存承載頭部信息.
        swtmrHandlePoolSize = LOS_MEMBOX_SIZE(sizeof(SwtmrHandlerItem), OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE);//計算所有注冊函數內存大小
        //規劃一片內存區域作為軟時鐘處理函數的靜態內存池。
        g_swtmrHandlerPool = (UINT8 *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem1, swtmrHandlePoolSize); /* system resident resource *///常駐內存
        if (g_swtmrHandlerPool == NULL) {
            return LOS_ERRNO_SWTMR_NO_MEMORY;
        }

        ret = LOS_MemboxInit(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandlePoolSize, sizeof(SwtmrHandlerItem));//初始化軟時鐘注冊池
        if (ret != LOS_OK) {
            return LOS_ERRNO_SWTMR_HANDLER_POOL_NO_MEM;
        }
    }
    //每個CPU都會創建一個屬于自己的 OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE 的隊列
    ret = LOS_QueueCreate(NULL, OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE, &g_percpu[cpuid].swtmrHandlerQueue, 0, sizeof(CHAR *));//為當前CPU core 創建軟時鐘隊列 maxMsgSize:sizeof(CHAR *)
    if (ret != LOS_OK) {
        return LOS_ERRNO_SWTMR_QUEUE_CREATE_FAILED;
    }

    ret = OsSwtmrTaskCreate();//每個CPU獨自創建屬于自己的軟時鐘任務,統一處理隊列
    if (ret != LOS_OK) {
        return LOS_ERRNO_SWTMR_TASK_CREATE_FAILED;
    }

    ret = OsSortLinkInit(&g_percpu[cpuid].swtmrSortLink);//每個CPU獨自對自己軟時鐘鏈表排序初始化,為啥要排序因為每個定時器的時間不一樣,鴻蒙把用時短的排在前面
    if (ret != LOS_OK) {
        return LOS_ERRNO_SWTMR_SORTLINK_CREATE_FAILED;
    }

    return LOS_OK;
}

代碼解讀:

每個CPU核都是獨立處理定時器任務的,所以需要獨自管理.OsSwtmrInit是負責初始化各CPU核定時模塊功能的,注意在多CPU核時,OsSwtmrInit會被多次調用.

cpuid == 0代表主CPU核, 它最早執行這個函數,所以g_swtmrCBArray和g_swtmrHandlerPool是共用的,系統默認最多支持 1024 個定時器和回調函數.

每個CPU核都創建了自己獨立的LOS_QueueCreate隊列和任務OsSwtmrTaskCreate,并初始化了swtmrSortLink鏈表,關于鏈表排序可前往系列篇總目錄 排序鏈表篇查看.

定時任務 -> 最高優先級

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSwtmrTaskCreate(VOID)
{
    UINT32 ret, swtmrTaskID;
    TSK_INIT_PARAM_S swtmrTask;
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();//獲取當前CPU id

    (VOID)memset_s(&swtmrTask, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S), 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));//清0
    swtmrTask.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)OsSwtmrTask;//入口函數
    swtmrTask.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;//16K默認內核任務棧
    swtmrTask.pcName = "Swt_Task";//任務名稱
    swtmrTask.usTaskPrio = 0;//哇塞! 逮到一個最高優先級的任務 @note_thinking 這里應該用 OS_TASK_PRIORITY_HIGHEST 表示
    swtmrTask.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;//分離模式
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    swtmrTask.usCpuAffiMask   = CPUID_TO_AFFI_MASK(cpuid);//交給當前CPU執行這個任務
#endif
    ret = LOS_TaskCreate(&swtmrTaskID, &swtmrTask);//創建任務并申請調度
    if (ret == LOS_OK) {
        g_percpu[cpuid].swtmrTaskID = swtmrTaskID;//全局變量記錄 軟時鐘任務ID
        OS_TCB_FROM_TID(swtmrTaskID)->taskStatus |= OS_TASK_FLAG_SYSTEM_TASK;//告知這是一個系統任務
    }

    return ret;
}

代碼解讀:

內核為每個CPU處理單獨創建任務來處理定時器, 任務即線程, 外界可理解為內核開設了一個線程跑定時器.

注意看任務的優先級swtmrTask.usTaskPrio = 0;0是最高優先級! 這并不多見! 內核會在第一時間響應軟時鐘任務.

系列篇CPU篇中講過每個CPU都有自己的任務鏈表和定時器任務,g_percpu[cpuid].swtmrTaskID = swtmrTaskID;表示創建的任務和CPU具體核進行了捆綁.從此swtmrTaskID負責這個CPU的定時器處理.

定時任務是一個系統任務,除此之外還有哪些是系統任務?

任務入口函數OsSwtmrTask,是任務的執行體,類似于[Java 線程中的run()函數]

usCpuAffiMask代表這個任務只能由這個CPU核來跑

隊列消費者 -> OsSwtmrTask

//軟時鐘的入口函數,擁有任務的最高優先級 0 級!
LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsSwtmrTask(VOID)
{
    SwtmrHandlerItemPtr swtmrHandlePtr = NULL;
    SwtmrHandlerItem swtmrHandle;
    UINT32 ret, swtmrHandlerQueue;

    swtmrHandlerQueue = OsPercpuGet()->swtmrHandlerQueue;//獲取定時器超時隊列
    for (;;) {//死循環獲取隊列item,一直讀干凈為止
        ret = LOS_QueueRead(swtmrHandlerQueue, &swtmrHandlePtr, sizeof(CHAR *), LOS_WAIT_FOREVER);//一個一個讀隊列
        if ((ret == LOS_OK) && (swtmrHandlePtr != NULL)) {
            swtmrHandle.handler = swtmrHandlePtr->handler;//超時中斷處理函數,也稱回調函數
            swtmrHandle.arg = swtmrHandlePtr->arg;//回調函數的參數
            (VOID)LOS_MemboxFree(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandlePtr);//靜態釋放內存,注意在鴻蒙內核只有軟時鐘注冊用到了靜態內存
            if (swtmrHandle.handler != NULL) {
                swtmrHandle.handler(swtmrHandle.arg);//回調函數處理函數
            }
        }
    }
}

代碼解讀:

OsSwtmrTask是任務的執行體,只做一件事,消費定時器回調函數隊列.

任務在跑一個死循環,不斷在讀隊列.關于隊列的具體操作不在此處細說,系列篇中已有專門的文章講解,可前往查看.

每個CPU核都有屬于自己的定時器回調函數隊列,里面存放的是時間到了回調函數.

但隊列的數據怎么來呢?OsSwtmrTask只是在不斷的消費隊列,那生產者在哪里呢? 就是OsSwtmrScan

隊列生產者 -> OsSwtmrScan

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsSwtmrScan(VOID)//掃描定時器,如果碰到超時的,就放入超時隊列
{
    SortLinkList *sortList = NULL;
    SWTMR_CTRL_S *swtmr = NULL;
    SwtmrHandlerItemPtr swtmrHandler = NULL;
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;
    SortLinkAttribute* swtmrSortLink = &OsPercpuGet()->swtmrSortLink;//拿到當前CPU的定時器鏈表

    swtmrSortLink->cursor = (swtmrSortLink->cursor + 1) & OS_TSK_SORTLINK_MASK;
    listObject = swtmrSortLink->sortLink + swtmrSortLink->cursor;
	//由于swtmr是在特定的sortlink中,所以需要很小心的處理它,但其他CPU Core仍然有機會處理它,比如停止計時器
    /*
     * it needs to be carefully coped with, since the swtmr is in specific sortlink
     * while other cores still has the chance to process it, like stop the timer.
     */
    LOS_SpinLock(&g_swtmrSpin);

    if (LOS_ListEmpty(listObject)) {
        LOS_SpinUnlock(&g_swtmrSpin);
        return;
    }
    sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    ROLLNUM_DEC(sortList->idxRollNum);

    while (ROLLNUM(sortList->idxRollNum) == 0) {
        sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
        LOS_ListDelete(&sortList->sortLinkNode);
        swtmr = LOS_DL_LIST_ENTRY(sortList, SWTMR_CTRL_S, stSortList);

        swtmrHandler = (SwtmrHandlerItemPtr)LOS_MemboxAlloc(g_swtmrHandlerPool);//取出一個可用的軟時鐘處理項
        if (swtmrHandler != NULL) {
            swtmrHandler->handler = swtmr->pfnHandler;
            swtmrHandler->arg = swtmr->uwArg;

            if (LOS_QueueWrite(OsPercpuGet()->swtmrHandlerQueue, swtmrHandler, sizeof(CHAR *), LOS_NO_WAIT)) {
                (VOID)LOS_MemboxFree(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandler);
            }
        }

        if (swtmr->ucMode == LOS_SWTMR_MODE_ONCE) {
            OsSwtmrDelete(swtmr);

            if (swtmr->usTimerID < (OS_SWTMR_MAX_TIMERID - LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT)) {
                swtmr->usTimerID += LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;
            } else {
                swtmr->usTimerID %= LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;
            }
        } else if (swtmr->ucMode == LOS_SWTMR_MODE_NO_SELFDELETE) {
            swtmr->ucState = OS_SWTMR_STATUS_CREATED;
        } else {
            swtmr->ucOverrun++;
            OsSwtmrStart(swtmr);
        }

        if (LOS_ListEmpty(listObject)) {
            break;
        }

        sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    }

    LOS_SpinUnlock(&g_swtmrSpin);
}

代碼解讀:

OsSwtmrScan 函數是在系統時鐘處理函數OsTickHandler中調用的,它就干一件事,不停的比較定時器是否超時

一旦超時就把定時器的回調函數扔到隊列中,讓OsSwtmrTask去消費.

總結

定時器池g_swtmrCBArray存儲內核所有的定時器,默認1024個,各CPU共享這個池

定時器響應函數池g_swtmrHandlerPool存儲內核所有的定時器響應函數,默認1024個,各CPU也共享這個池

每個CPU核都有獨立的任務(線程)來處理定時器, 這個任務叫定時任務

每個CPU核都有獨立的響應函數隊列swtmrHandlerQueue,隊列中存放該核時間到了的響應函數SwtmrHandlerItem

定時任務的優先級最高,循環讀取隊列swtmrHandlerQueue,swtmrHandlerQueue中存放是定時器時間到了的響應函數.并一一回調這些響應函數.

OsSwtmrScan負責掃描定時器的時間是否到了,到了就往隊列swtmrHandlerQueue中扔.

定時器有多種模式,包括單次,循環.所以循環類定時器的響應函數會多次出現在swtmrHandlerQueue中.

編輯:hfy

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    發表于 11-24 17:54 ?35次下載
    <b class='flag-5'>鴻蒙</b><b class='flag-5'>內核</b><b class='flag-5'>源碼</b><b class='flag-5'>分析</b> :<b class='flag-5'>內核</b>最重要結構體

    華為鴻蒙系統內核源碼分析上冊

    鴻蒙內核源碼注釋中文版【 Gitee倉】給 Harmoηy○S源碼逐行加上中文注解,詳細闡述設計細節,助你快速精讀 Harmonyos內核源碼
    發表于 04-09 14:40 ?17次下載

    STM32定時器-基本定時器

    目錄定時器分類基本定時器功能框圖講解基本定時器功能時鐘源計數時鐘計數自動重裝載寄存
    發表于 11-23 18:21 ?31次下載
    STM32<b class='flag-5'>定時器</b>-基本<b class='flag-5'>定時器</b>

    Linux內核定時器

    在Linux內核中,也可以通過定時器來完成定時功能。但和單片機不同的是,Linux內核定時器是一種基于未來時間點的計時方式,它以當前時刻為啟動的時間點,以未來的某一時刻為終止點,類似于
    的頭像 發表于 09-22 08:56 ?2023次閱讀
    Linux<b class='flag-5'>內核定時器</b>

    STM32定時器分類及中斷原理

    本文主要介紹常規定時器中的TIM3,實現定時器中斷的功能。STM32定時器分類在其中一篇文章中已經介紹過,本文主要內容主要介紹定時器的基礎
    的頭像 發表于 01-12 17:29 ?7524次閱讀
    STM32<b class='flag-5'>定時器</b>的<b class='flag-5'>分類</b>及中斷原理
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