定時器原理以及一般定時器實現(xiàn)的方式

定時器原理一般定時器實現(xiàn)的方式有以下幾種：

基于排序鏈表方式：

通過排序鏈表來保存定時器，由于鏈表是排序好的，所以獲取最小（最早到期）的定時器的時間復雜度為 O（1）。但插入需要遍歷整個鏈表，所以時間復雜度為 O（n）。如下圖：

基于最小堆方式：

通過最小堆來保存定時器，在最小堆中獲取最小定時器的時間復雜度為 O（1），但插入一個定時器的時間復雜度為 O（log n）。如下圖：

基于平衡二叉樹方式：

使用平衡二叉樹（如紅黑樹）保存定時器，在平衡二叉樹中獲取最小定時器的時間復雜度為 O（log n）（也可以通過緩存最小值的方法來達到 O（1）），而插入一個定時器的時間復雜度為 O（log n）。如下圖：

時間輪：

但對于Linux這種對定時器依賴性比較高（網(wǎng)絡(luò)子模塊的TCP協(xié)議使用了大量的定時器）的操作系統(tǒng)來說，以上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是不能滿足要求的。所以Linux使用了效率更高的定時器算法：時間輪。

時間輪 類似于日常生活的時鐘。

日常生活的時鐘，每當秒針轉(zhuǎn)一圈時，分針就會走一格，而分針走一圈時，時針就會走一格。而時間輪的實現(xiàn)方式與時鐘類似，就是把到期時間當成一個輪，然后把定時器掛在這個輪子上面，每當時間走一秒就移動時針，并且執(zhí)行那個時針上的定時器。

一般的定時器范圍為一個32位整型的大小，也就是 0 ~ 4294967295，如果通過一個數(shù)組來存儲的話，就需要一個元素個數(shù)為4294967296的數(shù)組，非常浪費內(nèi)存。這個時候就可以通過類似于時鐘的方式：通過多級數(shù)組來存儲。

時鐘通過時分秒來進行分級，當然我們也可以這樣，但對于計算機來說，時分秒的分級不太友好，所以Linux內(nèi)核中，對32位整型分為5個級別，第一個等級存儲0 ~ 255秒 的定時器，第二個等級為 256秒 ~ 256*64秒，第三個等級為 256*64秒 ~ 256*64*64秒，第四個等級為 256*64*64秒 ~ 256*64*64*64秒，第五個等級為 256*64*64*64秒 ~ 256*64*64*64*64秒。

注意：第二級至第五級數(shù)組的第一個槽是不掛任何定時器的。

每級數(shù)組上面都有一個指針，指向當前要執(zhí)行的定時器。每當時間走一秒，Linux首先會移動第一級的指針，然后執(zhí)行當前位置上的定時器。當指針變?yōu)?時，會移動下一級的指針，并把該位置上的定時器重新計算一次并且插入到時間輪中，其他級如此類推。

當要執(zhí)行到期的定時器只需要移動第一級數(shù)組上的指針并且執(zhí)行該位置上的定時器列表即可，所以時間復雜度為 O（1），而插入一個定時器也很簡單，先計算定時器的過期時間范圍在哪一級數(shù)組上，并且連接到該位置上的鏈表即可，時間復雜度也是 O（1）。

Linux時間輪的實現(xiàn)那么接下來我們看看Linux內(nèi)核是怎么實現(xiàn)時間輪算法的。

定義五個等級的數(shù)組

#define TVN_BITS 6#define TVR_BITS 8#define TVN_SIZE （1 《《 TVN_BITS） // 64#define TVR_SIZE （1 《《 TVR_BITS） // 256#define TVN_MASK （TVN_SIZE - 1）#define TVR_MASK （TVR_SIZE - 1）struct timer_vec {

int index;

struct list_head vec［TVN_SIZE］;

};

struct timer_vec_root {

int index;

struct list_head vec［TVR_SIZE］;

};

static struct timer_vec tv5;static struct timer_vec tv4;static struct timer_vec tv3;static struct timer_vec tv2;static struct timer_vec_root tv1;void init_timervecs （void）

{

int i;

for （i = 0; i 《 TVN_SIZE; i++） {

INIT_LIST_HEAD（tv5.vec + i）;

INIT_LIST_HEAD（tv4.vec + i）;

INIT_LIST_HEAD（tv3.vec + i）;

INIT_LIST_HEAD（tv2.vec + i）;

}

for （i = 0; i 《 TVR_SIZE; i++）

INIT_LIST_HEAD（tv1.vec + i）;

}

上面的代碼定義第一級數(shù)組為 timer_vec_root 類型，其 index 成員是當前要執(zhí)行的定時器指針（對應(yīng) vec 成員的下標），而 vec 成員是一個鏈表數(shù)組，數(shù)組元素個數(shù)為256，每個元素上保存了該秒到期的定時器列表，其他等級的數(shù)組類似。

插入定時器

static inline void internal_add_timer（struct timer_list *timer）

{

/*

* must be cli-ed when calling this

*/

unsigned long expires = timer-》expires;

unsigned long idx = expires - timer_jiffies;

struct list_head * vec;

if （idx 《 TVR_SIZE） { // 0 ~ 255

int i = expires & TVR_MASK;

vec = tv1.vec + i;

} else if （idx 《 1 《《 （TVR_BITS + TVN_BITS）） { // 256 ~ 16191

int i = （expires 》》 TVR_BITS） & TVN_MASK;

vec = tv2.vec + i;

} else if （idx 《 1 《《 （TVR_BITS + 2 * TVN_BITS）） {

int i = （expires 》》 （TVR_BITS + TVN_BITS）） & TVN_MASK;

vec = tv3.vec + i;

} else if （idx 《 1 《《 （TVR_BITS + 3 * TVN_BITS）） {

int i = （expires 》》 （TVR_BITS + 2 * TVN_BITS）） & TVN_MASK;

vec = tv4.vec + i;

} else if （（signed long） idx 《 0） {

/* can happen if you add a timer with expires == jiffies，

* or you set a timer to go off in the past

*/

vec = tv1.vec + tv1.index;

} else if （idx 《= 0xffffffffUL） {

int i = （expires 》》 （TVR_BITS + 3 * TVN_BITS）） & TVN_MASK;

vec = tv5.vec + i;

} else {

/* Can only get here on architectures with 64-bit jiffies */

INIT_LIST_HEAD（&timer-》list）;

return;

}

/*

* 添加到鏈表中

*/

list_add（&timer-》list， vec-》prev）;

}

internal_add_timer（） 函數(shù)的主要工作是計算定時器到期時間所屬的等級范圍，然后把定時器添加到鏈表中。

執(zhí)行到期的定時器

static inline void cascade_timers（struct timer_vec *tv）

{

/* cascade all the timers from tv up one level */

struct list_head *head， *curr， *next;

head = tv-》vec + tv-》index;

curr = head-》next;

/*

* We are removing _all_ timers from the list， so we don‘t have to

* detach them individually， just clear the list afterwards.

*/

while （curr ！= head） {

struct timer_list *tmp;

tmp = list_entry（curr， struct timer_list， list）;

next = curr-》next;

list_del（curr）;

internal_add_timer（tmp）;

curr = next;

}

INIT_LIST_HEAD（head）;

tv-》index = （tv-》index + 1） & TVN_MASK;

}

static inline void run_timer_list（void）

{

spin_lock_irq（&timerlist_lock）;

while （（long）（jiffies - timer_jiffies） 》= 0） {

struct list_head *head， *curr;

if （！tv1.index） { // 完成了一個輪回， 移動下一個單位的定時器

int n = 1;

do {

cascade_timers（tvecs［n］）;

} while （tvecs［n］-》index == 1 && ++n 《 NOOF_TVECS）;

}

repeat：

head = tv1.vec + tv1.index;

curr = head-》next;

if （curr ！= head） {

struct timer_list *timer;

void （*fn）（unsigned long）;

unsigned long data;

timer = list_entry（curr， struct timer_list， list）;

fn = timer-》function;

data= timer-》data;

detach_timer（timer）;

timer-》list.next = timer-》list.prev = NULL;

timer_enter（timer）;

spin_unlock_irq（&timerlist_lock）;

fn（data）;

spin_lock_irq（&timerlist_lock）;

timer_exit（）;

goto repeat;

}

++timer_jiffies;

tv1.index = （tv1.index + 1） & TVR_MASK;

}

spin_unlock_irq（&timerlist_lock）;

}

執(zhí)行到期的定時器主要通過 run_timer_list（） 函數(shù)完成，該函數(shù)首先比較當前時間與最后一次運行 run_timer_list（） 函數(shù)時間的差值，然后循環(huán)這個差值的次數(shù)，并執(zhí)行當前指針位置上的定時器。

每循環(huán)一次對第一級數(shù)組指針進行加一操作，當?shù)谝患墧?shù)組指針變?yōu)?（即所有定時器都執(zhí)行完），那么就移動下一個等級的指針，并把該位置上的定時器重新計算插入到時間輪中，重新計算定時器通過 cascade_timers（） 函數(shù)實現(xiàn)。

編輯：jq