浅谈linux定时器模型

用户态的定时器设计

记得某段时间的工作中，经常会用到定时器。发现有些同学为了图方便，会这样实现定时器：
while(1) {
sleep_awhile();
while((timer = get_expired_timer()))
do_timer_handler(timer);
}
用一个线程，周期性地睡眠一段时间，然后起来看看有没有需要触发的定时任务。

这种定时器写起来确实很简单，但是也让人感觉很拙。一方面，周期性的睡眠与唤醒，占用了一定的调度开销，并且定时线程被唤醒之后，经常是无事可做的。另一方面，定时器的精度非常之低（依赖于定时线程的睡眠时间）。若想提高精度，只能缩短睡眠时间，从而造成更大的调度开销。
当然，在一些特定的场景下，这样的定时器也未必不能很好地满足需求。但是多数情况下，这还是不够理想的。

换一种思路感觉会更好一些，从timer本身出发，按需睡眠（timer需要等待多久就睡眠多久，而不是周期性地睡眠）。
这样的定时器实现起来会稍麻烦一些，需要将所有的timer按其expire_time增序排序。定时线程每次需要sleep的时间就是当前时间到第一个timer的expire_time的间隔时间。当新增一个排在第一位的timer、或者删除排在第一位的timer时，都需要调整定时线程的睡眠时间。
于是，定时线程每一次从睡眠中被唤醒，总是伴随着一个（或多个）timer需要被处理。并且定时的精度很高（依赖于操作系统提供的定时精度）。

内核态的定时器设计

linux内核里面的定时器似乎也面临着这样的问题，从《linux时钟浅析》一文中可以看到，内核管理的时钟和定时器实际上采用的是“周期性睡眠”的这种方案。时钟源周期性地发出中断（一般以1ms为周期），时钟中断处理程序每一次都会更新时间、更新一些统计信息、然后检查并触发定时器。
显然，时钟中断会周期性地打断CPU上正在执行的任务。同时，定时器的精度又因为依赖于时钟中断的周期，而受到限制。而减小时钟中断的周期又会带来更频繁的中断，造成更大的开销。

从第一次了解到linux的时钟机制开始，我就在想，是否这种机制也能改造成“按需睡眠”（按需触发时钟中断）的方案呢？从而减小时钟中断的开销、增加定时器的精度。

但是注意到，时钟中断处理程序需要做的事情并不限于处理定时器（比这个要复杂得多）。“按需睡眠”的方案可能会非常复杂，甚至可能会增加时钟与其他子系统之间的耦合度。
比如说，调度程序依赖周期性的时钟中断来更新当前进程的执行时间，从而不断更新进程的动态优先级，从而决定当前进程是否应该被替换掉（见《linux进程调度浅析》）。如果改用“按需睡眠”，则调度程序必须在当前进程被调度运行时，就预料到该进程将在运行多久时间之后被取代，从而设置相应的定时器。并且，当当前进程状态改变、或者某些中断使某些进程状态改变、等情况发生时，这个定时器可能需要更新。
再比如，由于“按需睡眠”，系统时间就不能保持周期性的更新了。应用程序读系统时间时，可能就要有两种做法：如果需要高精度的时间，只能通过读硬件时钟源设备来解决；对于低精度的（比如只需要精确到秒），则可以通过设置较长的周期性时钟中断来解决（比如设置每秒一次的时钟中断，这样的开销几乎是可以忽略的）。
再比如，当应用程序需要去读各种统计信息时，可能就只能实时去计算了，而不能直接得到已经由周期性时钟中断更新好的统计结果。
此外，受影响的地方应该还有很多……

可能是由于太过复杂，以至于可能得不偿失（各种复杂情况综合下来，“按需睡眠”可能并不比“周期性睡眠”开销小），“按需睡眠”的方案似乎没有被人们怎么考虑过。
然而，高精度的定时器却是很有需求的，于是linux内核中就有了hrtimer（High-resolution Timer）。

hrtimer就是按“按需睡眠”的方案去实现的，通过红黑树去维护一组按expire_time排好序的timer。然后将时钟源设备设置为非周期性触发中断的模式，并总是设置下一次中断触发的时间就是第一个timer的expire_time。（当然，这些都需要硬件的支持。）当需要使用到高精度的定时器时，就可以向这棵红黑树添加timer。
那么，原来的那一套“周期性睡眠”的机制怎么办呢？hrtimer工作在原先那套机制的底层，内核会向hrtimer注册周期性的timer，从而获得周期性的时钟中断，原来的“周期性睡眠”这一套东西完全不用变。
（关于hrtimer，详见《Linux 时钟管理》。）

hrtimer通过将时钟的底层从“周期性睡眠”改为“按需睡眠”，实现了高精度的定时器（精度依赖于硬件）。而将来“按需睡眠”的层次是否会得到提升（使得“周期性睡眠”的模式被修改），从而减少时钟中断的次数，以降低开销呢？

另外，如果你读了上面那篇《Linux 时钟管理》，可以发现，linux内核已经有了nohz这种模式。开启nohz模式后，就不存在周期性的时钟中断了。
但是这种模式出现的原因并不是为了实现我们这里说的“按需睡眠”，而是为了让CPU在长期没有任务的情况下能够逐渐进入休眠，以达到节能的目的（周期性的时钟中断会不断给CPU制造任务，使其不得安宁）。于是，内核总是试图在CPU进入空闲时（进入空闲，代表已经没有任务需要执行了），开启nohz模式；在退出空闲时，停止nohz模式。
不过既然周期性的时钟中断没有了，很多需要依赖它的部分也需要做修改。就比如之前举例说明的那些，只是仅为支持nohz还不需要改得那么彻底。那么，今后这些修改又会否更加彻底，从而实现“按需睡眠”呢？