一. 前言

LWIP的定時器模塊，實(shí)現(xiàn)了通用的軟件定時器，用于內(nèi)部的周期事件處理，比如arp，tcp的超時等，用戶也可以使用。這一篇來分析該模塊的實(shí)現(xiàn)。

二.代碼分析

2.1源碼

源碼位于

timeouts.c

timeouts.h

會按照如下條件編譯

#if LWIP_TIMERS && !LWIP_TIMERS_CUSTOM

即LWIP_TIMERS為1 ，LWIP_TIMERS_CUSTOM為0才會編譯，也是默認(rèn)配置。

2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

定時器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個單向鏈表，鏈表的節(jié)點(diǎn)如下

struct sys_timeo {


struct sys_timeo *next;


u32_t time;


sys_timeout_handler h;


void *arg;


#if LWIP_DEBUG_TIMERNAMES


const char* handler_name;


#endif /* LWIP_DEBUG_TIMERNAMES */


};

Next構(gòu)成單向鏈表

time為絕對時間，即當(dāng)前絕對時間滯后該值則表示定時器超時需要執(zhí)行回調(diào)函數(shù)h。

arg可以傳入參數(shù)，

handler_name是debug打印信息用。

2.3超時比較算法

定時器使用的是絕對時間，即定時器的time和當(dāng)前now時間比較，time<=now則表示定時器已經(jīng)超時了需要處理，否則定時器還未到時間無需處理。

但是這里會有個問題，溢出的問題，time<=now就一定表示time的時刻提前于now嗎，不一定，也可能是到了定時器值的最大值繞回了，

比如如果定時器的值是32位的，

now為0xFFFFFFFF，time為0x00000001，

time

也可能time滯后于now為2的時間 即(0x100000000-0xFFFFFFFF)+0x00000001.

我們更傾向于是后者，因?yàn)楹笳叩臅r間差更小，更符合實(shí)際情況，因?yàn)槲覀兌〞r時間一般都很小。

這里的實(shí)現(xiàn)是

#define LWIP_MAX_TIMEOUT 0x7fffffff

#define TIME_LESS_THAN(t, compare_to) ( (((u32_t)((t)-(compare_to))) > LWIP_MAX_TIMEOUT) ? 1 : 0 )

實(shí)際上用到的就是我們上面提到的思想，我們更傾向于時間差更小的為實(shí)際情況，

實(shí)際該算法還有專門的文章進(jìn)行討論，網(wǎng)上可以搜到。

即定義定時器最大范圍的一半，比如32位最大范圍是00xFFFFFFFF，共0x100000000的范圍，其一半的范圍是0x80000000，即00x7fffffff，作為基準(zhǔn)，最大就只能定時器該時間，大于該時間認(rèn)為不合理，實(shí)際是繞回反向的。

這里((u32_t)((t)-(compare_to)))按照無符號32位進(jìn)行計算

如果t

如果t為1， compare_to為2則((u32_t)((t)-(compare_to)))結(jié)果為0xFFFFFFFF。

實(shí)際上就是0x100000000-0x02 + 0x01.

如果t>compare_to

t為2， compare_to為1

則((u32_t)((t)-(compare_to)))結(jié)果為0x1

該表達(dá)式即可以理解為t滯后compare_to的時間(未來時間)，

更形象的理解是a-b即b需要追趕多少到a，即compare_to追趕到t需要多久，有可能繞回。

如果該滯后時間比較大，大于總時間的一半即0x7fffffff我們則認(rèn)為，實(shí)際不是滯后而是超前。

因?yàn)閮A向于時間間隔短的符合實(shí)際情況。

所以如果t比compare_to大的非常多，大于TIME_LESS_THAN，我們也認(rèn)為t不是滯后compare_to而是提前于compare_to，只是是繞回了。

1.總結(jié)

我們可以用跑圈追趕的角度來理解，即t和compare_to在環(huán)形世界賽跑，某一刻我們并不知道誰跑在前，誰跑在后，因?yàn)橛锌赡堋碧兹Α? 于是我們有一條假設(shè)， t和compare_to跑的速度差異不是特別大(類似我們定時器的定時時間不是特別長)，所以如果t追趕到compare_to的距離大于跑道的一半我們認(rèn)為不合理，所以認(rèn)為是compare_to追趕t。

所以該算法能工作的前提條件是定時時間不能大于LWIP_MAX_TIMEOUT。

當(dāng)然去處理查詢定時器超時的間隔也不能大于LWIP_MAX_TIMEOUT，否則由于”套多圈”無法區(qū)分。

2.4內(nèi)建定時器

定義了一個數(shù)組

const struct lwip_cyclic_timer lwip_cyclic_timers[]

提供構(gòu)建定時器的必要信息(注意不是定時器本身，而是提供定時器信息，sys_timeouts_init根據(jù)此創(chuàng)建定時器)

數(shù)組成員結(jié)構(gòu)體如下

struct lwip_cyclic_timer {


u32_t interval_ms;


lwip_cyclic_timer_handler handler;


#if LWIP_DEBUG_TIMERNAMES


const char* handler_name;


#endif /* LWIP_DEBUG_TIMERNAMES */


};

interval_ms為定時器執(zhí)行周期，上述定時器要求是絕對時間，為什么這里是間隔時間呢，因?yàn)閚ow+間隔時間就是絕對時間了，初始化時會自動設(shè)置。

handler是回調(diào)函數(shù)

handler_name是用于打印定時器的名字。

默認(rèn)根據(jù)宏定義了一些內(nèi)建的定時器

比如，使能了LWIP_ARP則使能該定時器，回調(diào)函數(shù)是etharp_tmr，間隔時間是1S。

用戶可以配置這些宏來進(jìn)行定時器的使能配置和周期配置。

#if LWIP_ARP

{ARP_TMR_INTERVAL, HANDLER(etharp_tmr)},

#endif /* LWIP_ARP */

#define ARP_TMR_INTERVAL 1000

初始化sys_timeouts_init時遍歷lwip_cyclic_timers

通過sys_timeout->sys_timeout_abs動態(tài)創(chuàng)建定時器，定時器的絕對時間自動會在now基礎(chǔ)上增加間隔(u32_t)(sys_now() + msecs);

這里i = (LWIP_TCP ? 1 : 0),如果有LWIP_TCP則從1開始, 0的TCP定時器單獨(dú)處理，因?yàn)樗恍枰偸沁\(yùn)行，沒有tcp連接就不需要該定時器了，所以手動調(diào)用tcp_timer_needed()處理。

2.5接口代碼

sys_timeouts_sleeptime

后面定時器輪詢有分析，計算定時器鏈表中，頭定時器，離當(dāng)前時間的時間，

返回0表示頭定時器已經(jīng)超時需要處理，返回SYS_TIMEOUTS_SLEEPTIME_INFINITE表示沒有定時器，其他值為頭定時器離現(xiàn)在的時間間隔。因?yàn)槎〞r器是按照時間從小到大排列，所以只需要判斷頭定時器即可。

sys_restart_timeouts

以定時器鏈表第一個定時器為基準(zhǔn)設(shè)置為now絕對時間，后續(xù)的按照和第一個定時器的偏差設(shè)置。

在長時間沒有調(diào)用sys_check_timeouts時，重新設(shè)置時基，來觸發(fā)一次時間調(diào)度。

這樣保證在長時間沒有調(diào)用sys_check_timeouts的期間導(dǎo)致的定時器沒有執(zhí)行，這時能彌補(bǔ)下執(zhí)行一次。

sys_check_timeouts

查詢定時器，從鏈表頭開始查詢，如果超時時間到則執(zhí)行對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，并釋放定時器。

因?yàn)橐呀?jīng)排序不需要查詢到末尾，查詢到第一個為超時的定時器即可結(jié)束，因?yàn)楹竺娴闹蹈罂隙ú粫瑫r。

無OS時用戶手動調(diào)用該函數(shù)

有OS時，tcpip線程自動調(diào)用。

注意定時器都是單次的，一次執(zhí)行完后會刪除，周期執(zhí)行需要重新創(chuàng)建。

這里個人覺得每次都刪除和釋放不是很好，尤其是嵌入式平臺，多了mem等操作一方面內(nèi)存碎片的問題(如果使用內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)還好，如果共用堆管理則會有些影響，尤其堆本來就很小的資源受限平臺)，一方面效率降低。

sys_untimeout

從定時器鏈表刪除一個定時器

sys_timeout->sys_timeout_abs

創(chuàng)建定時器，按照定時器值從小大到插入到鏈表

sys_timeouts_init

初始化內(nèi)建定時器，前面已經(jīng)分析過

lwip_cyclic_timer

內(nèi)建定時器回調(diào)處理

由于定時器都是單次的，所以周期定時器需要重新創(chuàng)建定時器。

內(nèi)建定時器時都是設(shè)置的該回調(diào)函數(shù)

sys_timeout(lwip_cyclic_timers[i].interval_ms, lwip_cyclic_timer, LWIP_CONST_CAST(void *, &lwip_cyclic_timers[i]));

通過參數(shù)再回調(diào)具體的不同的回調(diào)函數(shù)

const struct lwip_cyclic_timer *cyclic = (const struct lwip_cyclic_timer *)arg;


cyclic- >handler();

tcp_timer_needed/tcpip_tcp_timer

tcp定時器單獨(dú)處理，創(chuàng)建一個tcp定時器

tcpip_tcp_timer會根據(jù)是否有tcp連接來確認(rèn)是否需要重復(fù)定時器。

2.6定時器輪詢

無OS時手動周期調(diào)用

sys_check_timeouts

有OS時在tcpip_thread線程中

TCPIP_MBOX_FETCH即tcpip_timeouts_mbox_fetch會自動調(diào)用

sys_check_timeouts。

我們來分析下tcpip_timeouts_mbox_fetch

首先sleeptime = sys_timeouts_sleeptime(); 獲取最近一個將要超時的定時器到現(xiàn)在的時間間隔，這樣mbox_fetch時就以該間隔時間作為超時時間sleeptime，這樣如果在這個超時時間之前獲取到了mbox則處理消息，下一個循環(huán)繼續(xù)重復(fù)上述處理。否則等到超時再調(diào)用sys_check_timeouts();處理定時器。

sys_timeouts_sleeptime先要判斷是否有定時器，如果next_timeout為空則說明沒有定時器需要處理則超時時間sleeptime可以設(shè)置為無限大。

如果有定時器則只需要判斷next_timeout頭定時器得time與now比較即可，因?yàn)槎〞r器是按照time從小到大排列的，所以最先超時得肯定是頭定時器。如果next_timeout得time小于now，說明該定時器已經(jīng)超時了設(shè)置為0，后面會馬上調(diào)用sys_check_timeouts()處理。

否則計算next_timeout得time減去now為間隔時間。

也就是對應(yīng)

if (sleeptime == SYS_TIMEOUTS_SLEEPTIME_INFINITE) {


  UNLOCK_TCPIP_CORE();


  sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, 0);


  LOCK_TCPIP_CORE();


  return;


} else if (sleeptime == 0) {


  sys_check_timeouts();


  /* We try again to fetch a message from the mbox. */


  goto again;


}

如果沒有定時器sleeptime == SYS_TIMEOUTS_SLEEPTIME_INFINITE則 sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, 0); 參數(shù)0表示無限超時時間。

直到獲取到消息才會return，否則就一直在此等待。

這里個人覺得有個BUG,如果剛開始沒有定時器，且此時沒有消息，則在此之后新創(chuàng)建的定時器將得不到處理，因?yàn)橐恢痹谶@里等待消息了，雖然一開始基本都會有定時器所以不會進(jìn)到這里，但是邏輯上來說還是不嚴(yán)謹(jǐn)。雖然這里無限等待可以有利于效率，因?yàn)闆]有消息該線程就不執(zhí)行了，但是個人覺得設(shè)置一個固定的超時間隔可能更安全，這樣保證該線程不會卡死在這里，超過時間沒有消息也跳過重新執(zhí)行，這樣保證新創(chuàng)建的定時器能執(zhí)行，最大誤差就是該設(shè)置的固定間隔。這個間隔可以根據(jù)允許誤差和效率均衡考慮設(shè)置，這樣也不至于影響效率，也能保證定時器始終能執(zhí)行。

sleeptime已經(jīng)有定時器超時了sleeptime == 0則馬上調(diào)用sys_check_timeouts()處理。因?yàn)闆]有消息所以goto again;重復(fù)，無需return。

如果sleeptime不是0也不是無限大，則按需設(shè)置超時時間

res = sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, sleeptime);

如果res返回超時則調(diào)用sys_check_timeouts處理定時器，goto again;重復(fù)上述過程，因?yàn)闆]有消息所以無需return。有消息則return到上一層去處理消息。

2.7DEBUG

lwipopts.h中定義LWIP_DEBUG_TIMERNAMES宏使能相關(guān)debug代碼,

否則根據(jù)LWIP_DEBUG決定

如果定義了LWIP_DEBUG則LWIP_DEBUG_TIMERNAMES為SYS_DEBUG,否則為0。

SYS_DEBUG默認(rèn)為LWIP_DBG_OFF，可以該為LWIP_DBG_ON

#ifndef LWIP_DEBUG_TIMERNAMES


#ifdef LWIP_DEBUG


#define LWIP_DEBUG_TIMERNAMES SYS_DEBUG


#else /* LWIP_DEBUG */


#define LWIP_DEBUG_TIMERNAMES 0


#endif /* LWIP_DEBUG*/


#endif

以上使能相關(guān)調(diào)試代碼之后,還需要lwipopts.h中使能

TIMERS_DEBUG

按如下配置使能

#define TIMERS_DEBUG LWIP_DBG_ON


#define LWIP_DEBUG_TIMERNAMES 1

當(dāng)然也要使能DEBUG

#define LWIP_DEBUG 1

和LWIP_PLATFORM_DIAG打印的接口宏。

此時可以看到打印信息如下，可以通過打印確定定時是否正確，定時器是否工作

sct calling h=ip_reass_tmr t=0 arg=0x2001548c


tcpip: ip_reass_tmr()


sys_timeout: 0x28213e48 abs_time=6223 handler=ip_reass_tmr arg=0x2001548c


sct calling h=etharp_tmr t=0 arg=0x20015498


tcpip: etharp_tmr()


sys_timeout: 0x28213e68 abs_time=6224 handler=etharp_tmr arg=0x20015498


sct calling h=ip_reass_tmr t=0 arg=0x2001548c


tcpip: ip_reass_tmr()


sys_timeout: 0x28213e48 abs_time=7223 handler=ip_reass_tmr arg=0x2001548c


sct calling h=etharp_tmr t=0 arg=0x20015498


tcpip: etharp_tmr()


sys_timeout: 0x28213e68 abs_time=7224 handler=etharp_tmr arg=0x20015498


sct calling h=ip_reass_tmr t=0 arg=0x2001548c


tcpip: ip_reass_tmr()


sys_timeout: 0x28213e48 abs_time=8223 handler=ip_reass_tmr arg=0x2001548c


sct calling h=ip_reass_tmr t=0 arg=0x2001548c


tcpip: ip_reass_tmr()


sys_timeout: 0x28213e48 abs_time=16223 handler=ip_reass_tmr arg=0x2001548c


sct calling h=etharp_tmr t=0 arg=0x20015498


tcpip: etharp_tmr()


sys_timeout: 0x28213e68 abs_time=16224 handler=etharp_tmr arg=0x20015498

三.總結(jié)

重點(diǎn)理解定時器的超時判斷算法，

注意定時器是單次的每次超時處理完都會刪除，需要重新創(chuàng)建，這個需要注意，并且注意頻繁的創(chuàng)建和刪除對堆管理的影響。

了解內(nèi)建定時器的定時周期的配置，以及定時器的調(diào)試方法。

審核編輯 黃宇