From 3d4d9664e816e5a4011607e70ffe9f5e4f0bf761 Mon Sep 17 00:00:00 2001
From: "kyrie.xi" <11186799+jingwei-xi@user.noreply.gitee.com>
Date: Sun, 3 Jul 2022 12:02:49 +0000
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+++ b/articles/20220703-riscv-linux-swtimer.md
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+Author: kyrie.xi <709150653@qq.com>
+Date: 2022/07/03
+Revisor: lzufalcon
+Project: [RISC-V Linux 内核剖析](https://gitee.com/tinylab/riscv-Linux)
+
+# RISC-V Linux SwTimer 分析
+
+## 一．背景简介
+
+在软件开发中经常会使用到与时间相关的概念，例如获取当前的时间对某一事件进行打戳；或设置某个定时任务，在时间到时执行该函数；而且内核也会通过定时的相关记录来驱动进程切换。
+总结下来，我们需要的与时间相关的功能主要有两大类：
+1.获取时间；
+2.定时任务；
+
+想获取以上两大功能，需要软件与硬件相结合；硬件部分包括时钟和定时器电路；时钟电路用于获取当前的时间（如 RTC，属于单独供电，即使 CPU 断电也会持续记录该时间）；而不同的定时器电路用于支持在不同场景下的时间精度要求，大体有如下几种：
+
+* 时间戳计数器 TSC ( Time Stamp Counter )；
+* 可编程间隔定时器 PIT ( Programmable Interval Timer )；
+* 高精度事件定时器 HPET ( High Precision Event Timer )；
+* 电源管理定时器 ACPI ( Advanced Configuration and Power Management Interface )；
+
+## 二．定时器与软件定时器分类
+
+定时器主要分为如下两大类：
+1. 硬件定时器：由芯片本身提供的定时器电路，一般基于固定频率振荡器和计数器的硬件电路组成，可以按照固定的，预先定义的频率向 CPU 发出中断；优点是精度高，但是受限于硬件限制，硬件定时器个数较少；
+2. 软件定时器：基于硬件定时器设计的软件定时功能，理论上数量不受限制，但是精度较低，必须是硬件定时器的整数倍；
+
+按照定时器触发方式分为：
+1. 单次触发方式 ( oneshot )：该类型定时器创建后只会触发一次定时器事件，执行一次超时函数后会自动销毁，想要重新定时，需要再设置一次寄存器值；
+2. 周期触发方式 ( periodic )：创建后会按照设定的超时时间周期执行，每次超时后会自动加载超时时间到寄存器，除非我们主动停掉；
+
+按照超时处理函数的执行环境可以分为：
+1. 中断上下文：要求处理函数简短，不要使用可以导致处理函数休眠的操作，实时性较高，响应迅速；
+2. 进程上下文：需要重新创建一个任务来执行，可以进行休眠或其他操作，但实时性会较低；
+
+## 三．软件定时器的设计
+
+首先介绍 sw timer 结构体：
+主要有超时处理函数及其参数，超时时间（相对时间，即从现在起还有多久会超时的 timeout 时间）；
+
+
+### 1.初始化
+
+初始化 timer_list 结构体数组，将定时器的超时处理函数和其参数初始为 NULL；因为在上电复位时，CPU 硬件会设置 mtime（64 位的 real-time 计数器，系统保证其会按照固定的频率递增）为 0 ，但不会设置 mtimecmp（ time compare register，每个 hart 会有一个该寄存器，上电复位时，系统不负责将其初始化）的初值，因此需要调用 ~timer_load()~ 函数加载 TIMER_INTERVAL 到 CLINT_MTIMECMP 寄存器内；接下来需要打开全局中断并将 MIE_MTIE 寄存器置 1；
+
+
+### 2.创建定时器任务
+
+创建一个软件定时器，传入超时处理函数地址及其参数，并设置超时时间 timeout；将新增的定时器加入到 timer_list 数组为空的位置（从数组元素为 0 的地址开始逐次寻找），将传入的参数加入到该位置处的 timer 结构体中；
+
+
+### 3.删除定时器任务
+
+传入待删除的 timer，在 timer_list 中按顺序查找待删除的 timer，将其超时处理函数及其参数设置为 NULL;
+
+
+### 4.中断处理程序
+
+每次当系统的 tick 中断发生时，会调用 ~timer_handler~ 函数；
+
+
+~timer_handler()~ 函数会先调用 ~timer_check()~ 函数，该函数会按顺序检查 timer 的超时时间是否到达（因为 timer_list 是按照超时时间进行排序的,如果不是这种排序的话，那么 check 函数会有不同机制），如果已到则执行该 timer 的超时处理函数，执行结束后会清除该 timer 的超时处理函数及其参数；
+
+
+然后会重新调用 ~timer_load()~ 函数加载 TIMER_INTERVAL 到 CLINT_MTIMECMP 寄存器内；然后会触发一次调度 ~schedule()~。
+
+## 四．软件定时器的优化
+
+当创建一个新的定时器任务时，需要将其加入到 timer_list 进行管理；上文有介绍的一种方式是通过链表的方式进行管理，当需要对定时器进行插入或是执行其超时函数时，其时间复杂度是 O(n)；
+基于排序链表的定时器任务使用一个链表来管理所有的定时器，所以当链表数目越来越多时，效率就会越来越低；这种算法对大量的定时器任务进行管理时，其效率会非常低；当前典型的定时器管理算法有：时间轮，最小堆，红黑树，跳转表等，本文主要介绍 Linux 内核采用的时间轮算法（ timer wheel ）。
+
+### 1.时间轮的概念
+
+时间轮是一种基于哈希表的概念来管理定时器任务，将定时器存到不同的链表中，每个链表中定时器任务是无序的；类比于钟表的秒针，分针和时针的概念；单级时间轮分为 N 个槽（类似于秒针有 60 个槽），每个槽上对应一个定时器链表，该链表上可以挂载多个定时器任务，该链表上的所有定时器 timeout 时间相同，因此链表里的定时器无须排序。时间轮经过系统时间 Ti（可以理解为时间轮的粒度）会移动一个槽，这个粒度值取决于时间轮的具体实现，可以是系统的一个时钟时间。
+
+
+假设时间轮开始移动的时间为 Ts，如果想创建一个超时时间为 Tto 的定时器任务，该定时器会放到那个槽上呢？可以按照如下公式计算：
+$$ (Tto - Ts) / Ti {\%} N $$
+那这样会有一个问题，假设时间轮分为 6 个槽，每个槽所表示的时间为 1 ms，那么超时时间为 8 ms 和 2 ms 的任务会放在一个定时器链表中， 8 ms 的超时任务在时间为 2 ms 时就已经被执行了，这样肯定是不行的；
+解决办法很简单，加大时间轮槽数 N，但是这样会急剧增加内存的消耗，更好的方法是采用多级时间轮的方法；
+第一级时间轮转动 N 个系统时间后，会自动跳到第二级时间轮上（类似于秒针转动一圈 60 秒之后，分针会转动一格）; 第二级的时间轮每个槽上也对应有一个定时器链表，这样就可以表示更长的超时定时任务；
+
+假设第二级时间轮有 M 个槽，那么两级时间轮可以表示的最长超时时间为：$ (N * M) * Ti $，假设这个两级时间轮的槽数均可以用二进制表示，即 $N = 2^n$ ，$M = 2^m$ ，那么这个可以记录的最长超时时间可以表示为 $2^(n+m) * Ti$ ;
+
+### 2. Linux 时间轮表示
+Linux 采用 5 级时间轮，并且使用 32 bit 来表示，每级时间轮所能表示的超时时间长度分别占 32 bit 的低 8 位（256），次 6 位（64），次 6 位（64），次 6 位（64），高 6 位（64），如下表一所示：
+表一：
+tv5 | tv4 | tv3 | tv2 | tv1
+-------|-----------|----------|-----------|-----------
+6 bit | 6 bit | 6 bit | 6 bit | 8 bit
+
+同时，每级时间轮的粒度 Ti 均不同，分别为 1 ms，256 ms，256 * 64 ms，256 * 64 * 64 ms，256 * 64 * 64 * 64 ms;
+
+每级时间轮所能表示的超时时间如下表二，单位为 1 ms：
+
+表二：
+时间轮 | 可表示超时时间长度
+tv1 | 0~255（2^8 - 1）
+tv2 | 256~16383（2^14 - 1）
+tv3 | 16384~1048575（2^20 - 1）
+tv4 | 1048576~ 67108863（2^26 - 1）
+tv5 | 67108864~4294967295（2^32 - 1）
+
+### 3. 如何插入一个定时器任务？
+
+定时器超时时间 Tto 和当前时间 Tc 做差值，记为 Tdelta;
+根据 Tdelta 的值将定时器放到确定的时间轮 tvn 上（参照表二），再根据定时器的超时时间相对值 Tdelta 与对应的 tvn 所占的 bit 位置（对应表一）做按位与计算得到值作为数组下标，将定时器挂入到该链表上；
+
+举例子来加深下理解：
+假设当前时间为 Tc = 1， Tto = 3， Tdelta = Tto - Tc = 3 - 1 = 2 < 256， 因此会将该定时器放入 tv1 中，而 Tdelta & 0xFF ( 低 8 位 ) = 2 ( 取低 8 位对应的值：2 )，因此将该定时器加入到 tv1 中数组下标为 2 的链表中；
+
+假设当前时间为 Tc = 1，Tto = 262，Tdelta = Tto - Tc = 262 - 1 = 261 在 { 256, 16383 } 区间，因此会将该定时器放入 tv2 中，而 Tdelta & 0x3F00 ( 次 6 位 ) = 0x100 (取 8 ~ 13 位对应的值：1），因此将该定时器加入到 tv2 中数组下标为 1 的链表中；
+
+假设当前时间为 Tc = 1，Tto = 514，Tdelta = Tto - Tc = 514 - 1 = 513 在 { 256,16383 } 区间，因此会将该定时器放入 tv2 中，而 Tdelta & 0x3F00 ( 次 6 位 ) = 0x200 ( 取8 ~ 13位对应的值：2 ），因此将该定时器加入到 tv2 中数组下标为 2 的链表中；
+
+### 4. 如何检查定时器任务到期？
+
+假设当前时间 Tc = 0x87654321， 因此下一个检查时刻为 0x87654322，如果 tv1.array[0x22] 链表非空，那么在下一时刻需要执行 tv1.array[0x22] 上的所有定时器任务的超时函数；如果 Tc 增加到 0x87654300，低 8 位为空，这时需要移出 tv2 时间轮，并根据 tv2 上的定时器超时时间将其重新加入到定时器系统，完成了 tv2 时间轮向 tv1 时间轮的迁移，因为在下一个256 ms tv2 上的定时器一定会超时，这保证了 tv1 时间轮一直有数据；如果当 Tc 的第 8 ~ 13位为 0 时，表明 tv2 对 tv3 有进位，这时需要移出 tv3 轮对应的定时器链表并将其重新加入到定时器系统中，根据定时器超时时间将其放入 tv2 时间轮；按照上述步骤依次检查 tv4 和 tv5 时间轮。
+
+小结
+
+本文介绍了软件定时器的的相关概念及其使用方法，并对 Linux 采用的软件定时器时间轮管理算法进行了简单分析。下一篇文章，会对当前常见的定时器管理算法进行分析与比较。
+
+参考文献
+* https://tinylab.org/lwn-646950/
+* https://github.com/riscv/riscv-platform-specs/blob/main/riscv-platform-spec.adoc/
+* https://gitee.com/tinylab/riscv-linux/tree/master/refs
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