rt-thread優(yōu)化系列（三）軟定時(shí)器的定時(shí)漂移問題分析

軟定時(shí)器

所謂軟定時(shí)器，是由一個(gè)線程運(yùn)行維護(hù)的定時(shí)器列表。由線程調(diào)用定時(shí)器回調(diào)函數(shù)。
相對硬定時(shí)器，是由中斷（SysTick）維護(hù)的定時(shí)器列表，并在中斷中調(diào)用定時(shí)器回調(diào)函數(shù)。

另外，還有一種*硬件定時(shí)器*，這個(gè)和單片機(jī)里的定時(shí)器是一個(gè)概念，由外設(shè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)。和 rt-thread 提供的硬定時(shí)器是兩個(gè)不同概念。

對硬定時(shí)器回調(diào)函數(shù)有嚴(yán)格的執(zhí)行時(shí)間要求，而且不能調(diào)用任何在中斷中不能調(diào)用的函數(shù)?？傊荒苡腥魏尾荒茉谥袛嘀袌?zhí)行的操作。

那么，軟定時(shí)器呢，要求需要這么嚴(yán)格嗎？

比如有個(gè)處理執(zhí)行時(shí)間 10ms，比如在定時(shí)器中斷函數(shù)里發(fā)送個(gè)等待 10ms 的消息...

無論是硬定時(shí)器還是軟定時(shí)器，它們各自有一個(gè)定時(shí)器列表。列表中的定時(shí)器根據(jù)定時(shí)時(shí)間長短排序，定時(shí)時(shí)間短的在前。掃描這個(gè)列表中所有定時(shí)器，直到結(jié)尾或者出現(xiàn)第一個(gè)定時(shí)時(shí)間未到的定時(shí)器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)判斷出定時(shí)時(shí)間到的時(shí)候，調(diào)用定時(shí)器回調(diào)函數(shù)。
假如，某次掃描這個(gè)列表中多于一個(gè)定時(shí)器到達(dá)定時(shí)時(shí)間，也就是需要執(zhí)行兩個(gè)以上的定時(shí)器回調(diào)函數(shù)。并且前一個(gè)掃描到的定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間比較長，出現(xiàn)上面設(shè)想的某一種使用情況。這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)什么效果？

因?yàn)橛捕〞r(shí)器的種種硬性要求，以下討論只針對軟定時(shí)器。

從對 `rt_soft_timer_check` 的幾個(gè)疑問講起

先擺出官方的 rt_soft_timer_check 函數(shù)，實(shí)現(xiàn)。這個(gè)函數(shù)是來掃描定時(shí)器列表中到達(dá)定時(shí)時(shí)間的定時(shí)器，并調(diào)用定時(shí)器回調(diào)函數(shù)的。

```
void rt_soft_timer_check(void)
{
   rt_tick_t current_tick;
   struct rt_timer *t;
   register rt_base_t level;
   rt_list_t list;
   rt_list_init(&list);

   RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("software timer check enter\n"));

   /* disable interrupt */
   level = rt_hw_interrupt_disable();

   while (!rt_list_isempty(&rt_soft_timer_list[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1]))
   {
       t = rt_list_entry(rt_soft_timer_list[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1].next,
                           struct rt_timer, row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1]);

       current_tick = rt_tick_get();

       /*
        * It supposes that the new tick shall less than the half duration of
        * tick max.
        */
       if ((current_tick - t->timeout_tick) < RT_TICK_MAX / 2)
       {
           RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_timer_enter_hook, (t));

           /* remove timer from timer list firstly */
           _rt_timer_remove(t);
           if (!(t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_PERIODIC))
           {
               t->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;
           }
           /* add timer to temporary list  */
           rt_list_insert_after(&list, &(t->row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1]));

           soft_timer_status = RT_SOFT_TIMER_BUSY;
           /* enable interrupt */
           rt_hw_interrupt_enable(level);

           /* call timeout function */
           t->timeout_func(t->parameter);

           RT_OBJECT_HOOK_CALL(rt_timer_exit_hook, (t));
           RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("current tick: %d\n", current_tick));

           /* disable interrupt */
           level = rt_hw_interrupt_disable();

           soft_timer_status = RT_SOFT_TIMER_IDLE;
           /* Check whether the timer object is detached or started again */
           if (rt_list_isempty(&list))
           {
               continue;
           }
           rt_list_remove(&(t->row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL - 1]));
           if ((t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_PERIODIC) &&
               (t->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED))
           {
               /* start it */
               t->parent.flag &= ~RT_TIMER_FLAG_ACTIVATED;
               rt_timer_start(t);
           }
       }
       else break; /* not check anymore */
   }
   /* enable interrupt */
   rt_hw_interrupt_enable(level);

   RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_TIMER, ("software timer check leave\n"));
}

疑問一 `rt_list_t list` 這個(gè)臨時(shí)中間變量的作用是什么？

• 進(jìn)入 `rt_soft_timer_check` 函數(shù)后，先初始化 list 變量。
• 掃描定時(shí)器列表，當(dāng)有到時(shí)的定時(shí)器，把這個(gè)定時(shí)器從軟定時(shí)器列表 `rt_soft_timer_list` 移除，插入到這個(gè) list 臨時(shí)存放。
• 開中斷，調(diào)用定時(shí)器回調(diào)函數(shù)，關(guān)中斷
• 把 list 中存放的定時(shí)器移除
• 判斷定時(shí)器的周期定時(shí)器還是一次性定時(shí)器
• 繼續(xù)掃描定時(shí)器列表

list 是個(gè)局部變量，僅僅起臨時(shí)存放當(dāng)前這個(gè)定時(shí)器的作用。看似是一種穩(wěn)妥的做法。
但是，這樣做的初衷是什么？
為什么這個(gè)定時(shí)器一定要放到某個(gè)列表里？
如果從軟定時(shí)器列表 `rt_soft_timer_list` 移除后，不插入任何列表會(huì)有什么影響？
因?yàn)橥顺?`rt_soft_timer_check` 函數(shù)后，list 列表不復(fù)存在了，應(yīng)該不是退出 `rt_soft_timer_check` 函數(shù)后的需求，那么插入 list 和 從 list 取出之間有哪些情況需要我們注意，需要用一個(gè)臨時(shí)列表將軟定時(shí)器暫存？

定時(shí)器回調(diào)函數(shù)里可能發(fā)生哪些操作？

• 修改定時(shí)器設(shè)置
• 停止，重啟定時(shí)器
• 刪除定時(shí)器
• 發(fā)生中斷，在中斷里執(zhí)行上述三種操作

修改定時(shí)器設(shè)置，可能只涉及到定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間間隔和定時(shí)周期特性。這兩個(gè)參數(shù)設(shè)置需要定時(shí)器必須在某個(gè)列表中嗎？
停止，重啟定時(shí)器，必然導(dǎo)致修改定時(shí)器所在列表指針，這里就涉及到雙向列表的操作了。

> 簡短介紹一下雙向列表，

• rt-thread 使用的雙向列表，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè) prev 和 一個(gè) next 指針，分別指向雙向列表中的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)和后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
• 一個(gè)空列表 l 僅有一個(gè)不含數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)的 prev next 指針均指向它自己。
• 任何一個(gè)帶數(shù)據(jù)的列表節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)行初始化，使得它的 prev next 分別指向它自己，這一點(diǎn)和空列表 l 完全雷同！換句話說，***任何一個(gè)雙向列表節(jié)點(diǎn)均有作為鏈表的潛質(zhì)***。從操作上講，你可以定義兩個(gè)定時(shí)器，然后這兩個(gè)定時(shí)器之間構(gòu)建一個(gè)含有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的雙向列表，當(dāng)然，這種做法沒有多少實(shí)用意義。
• 從鏈表中移除的節(jié)點(diǎn)，**必須**使得它的 prev next 指針指向它自己。
• **無論一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否在某個(gè)雙向鏈表中，或者僅僅是一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，對它進(jìn)行刪除操作，效果是完全一樣的！**
• 更多的操作詳見 rtservice.c 文件中相關(guān)函數(shù)，`rt_list_init， rt_list_insert_after， rt_list_insert_before， rt_list_remove` 等等。

停止定時(shí)器會(huì)把當(dāng)前定時(shí)器從定時(shí)器列表刪除，無論這個(gè)定時(shí)器有沒有在某個(gè)定時(shí)器列表中，或者只是一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器節(jié)點(diǎn)，刪除操作的結(jié)果都是一樣的，使用 list 這個(gè)臨時(shí)列表可能不能保護(hù)它不被刪除。
重啟定時(shí)器會(huì)把它先從前一個(gè)列表中刪除，然后插入軟定時(shí)器列表 `rt_soft_timer_list` 。list 這個(gè)臨時(shí)列表也阻止不了重啟定時(shí)器操作。

**至此，可以看出，`rt_list_t list` 這個(gè)臨時(shí)列表無任何存在意義**

疑問二 `soft_timer_status` 指示的是什么狀態(tài)？

這是一個(gè)全局靜態(tài)變量，它的使用也很簡單，只在四個(gè)地方使用了，上面的源碼函數(shù)里有兩處，其它兩個(gè)地方分別是初始化聲明

/* soft timer status */
static rt_uint8_t soft_timer_status = RT_SOFT_TIMER_IDLE;

和——以下摘自 `rt_timer_start` 函數(shù)

#ifdef RT_USING_TIMER_SOFT
   if (timer->parent.flag & RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER)
   {
       /* check whether timer thread is ready */
       if ((soft_timer_status == RT_SOFT_TIMER_IDLE) &&
          ((timer_thread.stat & RT_THREAD_STAT_MASK) == RT_THREAD_SUSPEND))
       {
           /* resume timer thread to check soft timer */
           rt_thread_resume(&timer_thread);
           rt_schedule();
       }
   }
#endif /* RT_USING_TIMER_SOFT */

將這四個(gè)地方聯(lián)系起來看，意思好像是調(diào)用定時(shí)器回調(diào)函數(shù)前修改軟定時(shí)器為 busy 狀態(tài)，返回回調(diào)函數(shù)后恢復(fù)為 idle 狀態(tài)，而如果是在定時(shí)器回調(diào)函數(shù)里調(diào)用 `rt_timer_start` ，可以達(dá)到不進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的目的。好像是起了雙保險(xiǎn)作用，真是這樣嗎？

我們分析一下上面這段 `rt_timer_start` 函數(shù)片段。
首先判斷定時(shí)器是不是軟定時(shí)器，只有軟定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)才有進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的可能。
其次，判斷 `soft_timer_status` 是否空閑，以及軟定時(shí)器線程是否***掛起態(tài)***。
以上仨?xiàng)l件均滿足，進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

我們重點(diǎn)關(guān)注“其次”，一個(gè)定時(shí)器線程調(diào)用的定時(shí)器回調(diào)函數(shù)，這個(gè)線程會(huì)是掛起態(tài)嗎？答案是肯定不是。它在運(yùn)行著，肯定是 `RT_THREAD_RUNNING` 的。那么這個(gè) `soft_timer_status` “雙保險(xiǎn)”了嗎？

疑問三 開篇提到的假想

開篇提到了一種假想，假想軟定時(shí)器回調(diào)函數(shù)占用 cpu 時(shí)間有點(diǎn)兒長，會(huì)產(chǎn)生什么影響，引起什么后果。
討論這個(gè)問題仍然離不開 `rt_soft_timer_check` 函數(shù)工作原理，我們再梳理一下 `rt_soft_timer_check` 函數(shù)的操作。（以下分析忽略 list 以及 soft_timer_status 相關(guān)操作）

• 關(guān)中斷
• 掃描列表是否有節(jié)點(diǎn)
• 取出第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
• ***獲取當(dāng)前系統(tǒng) tick***
• 檢查定時(shí)器是否定時(shí)時(shí)間到，如果到時(shí)
• 先從軟定時(shí)器列表 `rt_soft_timer_list` 移除定時(shí)器。非周期定時(shí)器，取消激活態(tài)
• 開中斷
• 執(zhí)行定時(shí)器回調(diào)函數(shù)。（這里可能存在長時(shí)間操作）
• 關(guān)中斷
• 對于周期性定時(shí)器，重啟定時(shí)器；非周期定時(shí)器，前面已經(jīng)做了取消激活態(tài)操作。
• 繼續(xù)掃描列表，取出第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，***獲取當(dāng)前系統(tǒng) tick*** ，檢查定時(shí)器是否定時(shí)時(shí)間到。。。

假設(shè) RT_TICK_PER_SECOND = 1000，有兩個(gè)周期性定時(shí)器 t0 t1 ，定時(shí)間隔不同，同時(shí)啟動(dòng)，各自的定時(shí)器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間 t0 500us，t1 5 ms。
經(jīng)過一段時(shí)間以后，總是可能會(huì)出現(xiàn)定時(shí)間隔公倍數(shù)時(shí)刻 Tn ，它們倆同時(shí)達(dá)到定時(shí)時(shí)間。
如果 t1 先被處理，那么 t1 重啟的時(shí)候系統(tǒng) tick 已經(jīng)是 Tn + 5；t0 的重啟時(shí)間有 50% 的可能是 Tn + 5， 50%的可能是 Tn + 6。
如果 t0 先被處理，t0 的重啟時(shí)間有 50% 的可能是 Tn， 50%的可能是 Tn + 1；t1 重啟時(shí)間是 Tn + 5 或 Tn + 6。

即便不考慮 t0 不考慮它對外的影響，也不考慮它受到的影響，僅僅分析 t1 自己對自己的影響，也可以看出來，隨著時(shí)間的推移，它的定時(shí)間隔不是初始設(shè)定的 Inv ，而是 Inv + 5。

優(yōu)化后的 `rt_soft_timer_check` 流程

• ***獲取當(dāng)前系統(tǒng) tick***
• 關(guān)中斷
• 掃描列表是否有節(jié)點(diǎn)
• 取出第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
• 檢查定時(shí)器是否定時(shí)時(shí)間到，如果到時(shí)
• 先從軟定時(shí)器列表 `rt_soft_timer_list` 移除定時(shí)器。
• 對于周期性定時(shí)器，***重啟定時(shí)器***；非周期定時(shí)器，取消激活態(tài)。
• 開中斷
• 執(zhí)行定時(shí)器回調(diào)函數(shù)。（這里可能存在長時(shí)間操作）
• 關(guān)中斷
• 繼續(xù)掃描列表，取出第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，檢查定時(shí)器是否定時(shí)時(shí)間到。。。

其中，優(yōu)化后的重啟定時(shí)器不能使用原來的接口。需要使用如下原型函數(shù)接口

static rt_err_t _rt_timer_start(rt_timer_t timer, rt_tick_t current_tick)

第二個(gè)參數(shù)是進(jìn)入 `rt_soft_timer_check` 函數(shù)，第一次關(guān)中斷前獲取的當(dāng)前系統(tǒng) `tick` 值，無論下面掃描出多少個(gè)到達(dá)時(shí)間的定時(shí)器，啟動(dòng)時(shí)間都是同一個(gè) `tick` 值。
而且無論其中某個(gè)定時(shí)器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間有多長，或者多個(gè)回調(diào)函數(shù)累積執(zhí)行時(shí)間有多長，它們的啟動(dòng)時(shí)間都是相同的！

注：由此，引起的另一個(gè)弊端的，期間某個(gè)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到了，但是會(huì)被判定為未到，下次調(diào)用 `rt_soft_timer_check` 時(shí)才會(huì)被處理。

附測試程序

static void led1_timeout(void *parameter)
{
   rt_tick_t current_tick;
   int pin = rt_pin_read(LED1_PIN); 
   rt_pin_write(LED1_PIN, !pin);
   current_tick = rt_tick_get();
   rt_hw_us_delay(50000);
}
void led_tick_thread(void *parameter)
{
   rt_timer_t led1_timer;
   led1_timer = rt_timer_create("ledtim1", led1_timeout,
                               RT_NULL,  1000,
                               RT_TIMER_FLAG_PERIODIC | RT_TIMER_FLAG_SOFT_TIMER);
   if (led1_timer != RT_NULL) {
       rt_timer_start(led1_timer);
   }
   while (1) {
       rt_pin_write(LED0_PIN, PIN_HIGH);
       rt_thread_mdelay(500);
       rt_pin_write(LED0_PIN, PIN_LOW);
       rt_thread_mdelay(500);
   }
}

作為對比，兩個(gè) led 一個(gè)用軟定時(shí)器控制亮滅頻率，一個(gè)用 mdelay 延時(shí)控制亮滅頻率。
如果 timeout 沒有延遲，兩個(gè)燈一直是同步的；有延遲后，過一段時(shí)間兩個(gè)燈亮滅變不同步了。

總結(jié)

肯定有很多人反對說，定時(shí)器回調(diào)函數(shù)不要有長時(shí)間操作。發(fā)消息，信號(hào)，郵箱...交給其它線程操作云云。
軟定時(shí)器本身就是一個(gè)線程，通過某種技術(shù)手段，在這個(gè)線程中可以完成的工作，一定要使用消息機(jī)制交給另外一下線程完成嗎？

如何抉擇，請君深思

本優(yōu)化系列所有提到的更改已經(jīng)提交到 gitee ，歡迎大家測試
https://gitee.com/thewon/rt_thread_repo

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審核編輯：湯梓紅