鴻蒙內(nèi)核源碼分析之定時器的狀態(tài)、分類、管理

運作機制

軟件定時器，是基于系統(tǒng)Tick時鐘中斷且由軟件來模擬的定時器。當(dāng)經(jīng)過設(shè)定的Tick數(shù)后，會觸發(fā)用戶自定義的回調(diào)函數(shù)。

軟件定時器是系統(tǒng)資源，在模塊初始化的時候已經(jīng)分配了一塊連續(xù)內(nèi)存。

軟件定時器使用了系統(tǒng)的一個隊列和一個任務(wù)資源，軟件定時器的觸發(fā)遵循隊列規(guī)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(yōu)先觸發(fā)的準(zhǔn)則。

軟件定時器以Tick為基本計時單位，當(dāng)創(chuàng)建并啟動一個軟件定時器時，鴻蒙會根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)Tick時間及設(shè)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(jié)構(gòu)掛入計時全局鏈表。

當(dāng)Tick中斷到來時，在Tick中斷處理函數(shù)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(shù)結(jié)束后，軟件定時器任務(wù)（優(yōu)先級為最高）被喚醒，在該任務(wù)中調(diào)用已經(jīng)記錄下來的定時器的回調(diào)函數(shù)。

定時器長什么樣?

typedef VOID (*SWTMR_PROC_FUNC)(UINTPTR arg);//函數(shù)指針, 賦值給 SWTMR_CTRL_S->pfnHandler,回調(diào)處理
typedef struct tagSwTmrCtrl {//軟件定時器控制塊
    SortLinkList stSortList;//通過它掛到對應(yīng)CPU核定時器鏈表上
    UINT8 ucState;      /**< Software timer state *///軟件定時器的狀態(tài)
    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(fù)計時的次數(shù)
    UINT16 usTimerID;   /**< Software timer ID *///軟件定時器ID,唯一標(biāo)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(diào)函數(shù)的參數(shù)
    SWTMR_PROC_FUNC pfnHandler; /**< Callback function that handles software timer timeout */	//處理軟件計時器超時的回調(diào)函數(shù)
    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(wù)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(chuàng)建的那一刻會鉤到CPU的swtmrSortLink上去.

pfnHandler定時器時間到了的執(zhí)行函數(shù),由外界指定.uwArg為回調(diào)函數(shù)的參數(shù)

ucMode為定時器模式,軟件定時器提供了三類模式

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

ucState定時器狀態(tài).

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

定時器分類

定時器是指從指定的時刻開始，經(jīng)過一定的指定時間后觸發(fā)一個事件，例如定個時間提醒晚上9點準(zhǔn)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(shè)定時間值后芯片中斷控制器產(chǎn)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(fā)方式。

軟件定時器是由操作系統(tǒng)提供的一類系統(tǒng)接口，它構(gòu)建在硬件定時器基礎(chǔ)之上，使系統(tǒng)能夠提供不受數(shù)目限制的定時器服務(wù)。

鴻蒙內(nèi)核提供軟件實現(xiàn)的定時器，以時鐘節(jié)拍（OS Tick）的時間長度為單位，即定時數(shù)值必須是 OS Tick 的整數(shù)倍，例如鴻蒙內(nèi)核默認(rèn)是10ms觸發(fā)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(diào)函數(shù)
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(diào)函數(shù)的結(jié)構(gòu)體
    SWTMR_PROC_FUNC handler;    /**< Callback function that handles software timer timeout  */	//處理軟件定時器超時的回調(diào)函數(shù)
    UINTPTR arg;                /**< Parameter passed in when the callback function
                                    that handles software timer timeout is called */	//調(diào)用處理軟件計時器超時的回調(diào)函數(shù)時傳入的參數(shù)
} 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(chuàng)建1024個定時器控制塊供使用

g_swtmrHandlerPool回調(diào)函數(shù)池,回調(diào)函數(shù)也是統(tǒng)一管理的,申請了靜態(tài)內(nèi)存保存. 池中放的是SwtmrHandlerItem回調(diào)函數(shù)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(wù)池,事件池都是這么處理的,沒有印象的自行去 鴻蒙內(nèi)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(guān)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

#define LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT 1024 // 最大支持的軟件定時器數(shù)
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(zhí)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(nèi)存大小 
        swtmr = (SWTMR_CTRL_S *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, size); /* system resident resource */ //常駐內(nèi)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(jié)點掛到空閑鏈表 
        }
        //想要用靜態(tài)內(nèi)存池管理,就必須要使用LOS_MEMBOX_SIZE來計算申請的內(nèi)存大小,因為需要點前綴內(nèi)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(shù)內(nèi)存大小
        //規(guī)劃一片內(nèi)存區(qū)域作為軟時鐘處理函數(shù)的靜態(tài)內(nèi)存池。
        g_swtmrHandlerPool = (UINT8 *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem1, swtmrHandlePoolSize); /* system resident resource *///常駐內(nèi)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(chuàng)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(dāng)前CPU core 創(chuàng)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(chuàng)建屬于自己的軟時鐘任務(wù),統(tǒng)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(wù)的,所以需要獨自管理.OsSwtmrInit是負(fù)責(zé)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(diào)用.

cpuid == 0代表主CPU核, 它最早執(zhí)行這個函數(shù),所以g_swtmrCBArray和g_swtmrHandlerPool是共用的,系統(tǒng)默認(rèn)最多支持 1024 個定時器和回調(diào)函數(shù).

每個CPU核都創(chuàng)建了自己獨立的LOS_QueueCreate隊列和任務(wù)OsSwtmrTaskCreate,并初始化了swtmrSortLink鏈表,關(guān)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(wù) -> 最高優(yōu)先級

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSwtmrTaskCreate(VOID)
{
    UINT32 ret, swtmrTaskID;
    TSK_INIT_PARAM_S swtmrTask;
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();//獲取當(dāng)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(shù)
    swtmrTask.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;//16K默認(rèn)內(nèi)核任務(wù)棧
    swtmrTask.pcName = "Swt_Task";//任務(wù)名稱
    swtmrTask.usTaskPrio = 0;//哇塞! 逮到一個最高優(yōu)先級的任務(wù) @note_thinking 這里應(yīng)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(dāng)前CPU執(zhí)行這個任務(wù)
#endif
    ret = LOS_TaskCreate(&swtmrTaskID, &swtmrTask);//創(chuàng)建任務(wù)并申請調(diào)度
    if (ret == LOS_OK) {
        g_percpu[cpuid].swtmrTaskID = swtmrTaskID;//全局變量記錄 軟時鐘任務(wù)ID
        OS_TCB_FROM_TID(swtmrTaskID)->taskStatus |= OS_TASK_FLAG_SYSTEM_TASK;//告知這是一個系統(tǒng)任務(wù)
    }

    return ret;
}

代碼解讀:

內(nèi)核為每個CPU處理單獨創(chuàng)建任務(wù)來處理定時器, 任務(wù)即線程, 外界可理解為內(nèi)核開設(shè)了一個線程跑定時器.

注意看任務(wù)的優(yōu)先級swtmrTask.usTaskPrio = 0;0是最高優(yōu)先級! 這并不多見! 內(nèi)核會在第一時間響應(yīng)軟時鐘任務(wù).

系列篇CPU篇中講過每個CPU都有自己的任務(wù)鏈表和定時器任務(wù),g_percpu[cpuid].swtmrTaskID = swtmrTaskID;表示創(chuàng)建的任務(wù)和CPU具體核進行了捆綁.從此swtmrTaskID負(fù)責(zé)這個CPU的定時器處理.

定時任務(wù)是一個系統(tǒng)任務(wù),除此之外還有哪些是系統(tǒng)任務(wù)?

任務(wù)入口函數(shù)OsSwtmrTask,是任務(wù)的執(zhí)行體,類似于[Java 線程中的run()函數(shù)]

usCpuAffiMask代表這個任務(wù)只能由這個CPU核來跑

隊列消費者 -> OsSwtmrTask

//軟時鐘的入口函數(shù),擁有任務(wù)的最高優(yōu)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(huán)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(shù),也稱回調(diào)函數(shù)
            swtmrHandle.arg = swtmrHandlePtr->arg;//回調(diào)函數(shù)的參數(shù)
            (VOID)LOS_MemboxFree(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandlePtr);//靜態(tài)釋放內(nèi)存,注意在鴻蒙內(nèi)核只有軟時鐘注冊用到了靜態(tài)內(nèi)存
            if (swtmrHandle.handler != NULL) {
                swtmrHandle.handler(swtmrHandle.arg);//回調(diào)函數(shù)處理函數(shù)
            }
        }
    }
}

代碼解讀:

OsSwtmrTask是任務(wù)的執(zhí)行體,只做一件事,消費定時器回調(diào)函數(shù)隊列.

任務(wù)在跑一個死循環(huán),不斷在讀隊列.關(guān)于隊列的具體操作不在此處細(xì)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(diào)函數(shù)隊列,里面存放的是時間到了回調(diào)函數(shù).

但隊列的數(shù)據(jù)怎么來呢?OsSwtmrTask只是在不斷的消費隊列,那生產(chǎn)者在哪里呢? 就是OsSwtmrScan

隊列生產(chǎn)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(dāng)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(shù)是在系統(tǒng)時鐘處理函數(shù)OsTickHandler中調(diào)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(diào)函數(shù)扔到隊列中,讓OsSwtmrTask去消費.

總結(jié)

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

定時器響應(yīng)函數(shù)池g_swtmrHandlerPool存儲內(nèi)核所有的定時器響應(yīng)函數(shù),默認(rèn)1024個,各CPU也共享這個池

每個CPU核都有獨立的任務(wù)(線程)來處理定時器, 這個任務(wù)叫定時任務(wù)

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

定時任務(wù)的優(yōu)先級最高,循環(huán)讀取隊列swtmrHandlerQueue,swtmrHandlerQueue中存放是定時器時間到了的響應(yīng)函數(shù).并一一回調(diào)這些響應(yīng)函數(shù).

OsSwtmrScan負(fù)責(zé)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(huán).所以循環(huán)類定時器的響應(yīng)函數(shù)會多次出現(xiàn)在swtmrHandlerQueue中.

編輯：hfy