v31.02 鸿蒙内核源码分析(定时器篇) | 哪个任务的优先级最高 | 百篇博客分析OpenHarmony源码

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02/09 18:36
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子畏于匡。曰:“文王既没,文不在兹乎?天之将丧斯文也,后死者不得与于斯文也;天之未丧斯文也,匡人其如予何?” 《论语》:子罕篇

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百篇博客系列篇.本篇为: v31.xx 鸿蒙内核源码分析(定时器篇) | 哪个任务的优先级最高

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基础工具相关篇为:

本篇说清楚定时器的实现

读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)其余篇.

运作机制

  • 软件定时器,是基于系统Tick时钟中断且由软件来模拟的定时器。当经过设定的Tick数后,会触发用户自定义的回调函数。
  • 软件定时器是系统资源,在模块初始化的时候已经分配了一块连续内存。
  • 软件定时器使用了系统的一个队列和一个任务资源,软件定时器的触发遵循队列规则,先进先出。定时时间短的定时器总是比定时时间长的靠近队列头,满足优先触发的准则。
  • 软件定时器以Tick为基本计时单位,当创建并启动一个软件定时器时,鸿蒙会根据当前系统Tick时间及设置的定时时长确定该定时器的到期Tick时间,并将该定时器控制结构挂入计时全局链表。
  • 当Tick中断到来时,在Tick中断处理函数中扫描软件定时器的计时全局链表,检查是否有定时器超时,
  • 若有则将超时的定时器记录下来。Tick中断处理函数结束后,软件定时器任务(优先级为最高)被唤醒,在该任务中调用已经记录下来的定时器的回调函数。

定时器长什么样?

typedef VOID (*SWTMR_PROC_FUNC)(UINTPTR arg);//函数指针, 赋值给 SWTMR_CTRL_S->pfnHandler,回调处理
typedef struct tagSwTmrCtrl {//软件定时器控制块
    SortLinkList stSortList;//通过它挂到对应CPU核定时器链表上
    UINT8 ucState;      /**< Software timer state *///软件定时器的状态
    UINT8 ucMode;       /**< Software timer mode *///软件定时器的模式
    UINT8 ucOverrun;    /**< Times that a software timer repeats timing *///软件定时器重复计时的次数
    UINT16 usTimerID;   /**< Software timer ID *///软件定时器ID,唯一标识,由软件计时器池分配
    UINT32 uwCount;     /**< Times that a software timer works *///软件定时器工作的时间
    UINT32 uwInterval;  /**< Timeout interval of a periodic software timer *///周期性软件定时器的超时间隔
    UINT32 uwExpiry;    /**< Timeout interval of an one-off software timer *///一次性软件定时器的超时间隔
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    UINT32 uwCpuid;     /**< The cpu where the timer running on *///多核情况下,定时器运行的cpu
#endif
    UINTPTR uwArg;      /**< Parameter passed in when the callback function
                             that handles software timer timeout is called *///回调函数的参数
    SWTMR_PROC_FUNC pfnHandler; /**< Callback function that handles software timer timeout */	//处理软件计时器超时的回调函数
    UINT32          uwOwnerPid; /** Owner of this software timer *///软件定时器所属进程ID号
} SWTMR_CTRL_S;//变量前缀 uc:UINT8  us:UINT16 uw:UINT32

解读

  • 在多CPU核情况下,定时器是跟着CPU走的,每个CPU核都维护着独立的定时任务链表,上面挂的都是CPU核要处理的定时器.

  • stSortList的背后是双向链表,这对钩子在定时器创建的那一刻会钩到CPU的swtmrSortLink上去.

  • pfnHandler定时器时间到了的执行函数,由外界指定.uwArg为回调函数的参数

  • ucMode 为定时器模式,软件定时器提供了三类模式

    单次触发定时器,这类定时器在启动后只会触发一次定时器事件,然后定时器自动删除。 周期触发定时器,这类定时器会周期性的触发定时器事件,直到用户手动停止定时器,否则将永远持续执行下去。 单次触发定时器,但这类定时器超时触发后不会自动删除,需要调用定时器删除接口删除定时器。

  • ucState 定时器状态.

    OS_SWTMR_STATUS_UNUSED(定时器未使用) 系统在定时器模块初始化时,会将系统中所有定时器资源初始化成该状态。 OS_SWTMR_STATUS_TICKING(定时器处于计数状态) 在定时器创建后调用LOS_SwtmrStart接口启动,定时器将变成该状态,是定时器运行时的状态。 OS_SWTMR_STATUS_CREATED(定时器创建后未启动,或已停止) 定时器创建后,不处于计数状态时,定时器将变成该状态。

定时器分类

定时器是指从指定的时刻开始,经过一定的指定时间后触发一个事件,例如定个时间提醒晚上9点准时秒杀。定时器有硬件定时器和软件定时器之分:

  • 硬件定时器是芯片本身提供的定时功能。一般是由外部晶振提供给芯片输入时钟,芯片向软件模块提供一组配置寄存器,接受控制输入,到达设定时间值后芯片中断控制器产生时钟中断。硬件定时器的精度一般很高,可以达到纳秒级别,并且是中断触发方式。

  • 软件定时器是由操作系统提供的一类系统接口,它构建在硬件定时器基础之上,使系统能够提供不受数目限制的定时器服务。

鸿蒙内核提供软件实现的定时器,以时钟节拍(OS Tick)的时间长度为单位,即定时数值必须是 OS Tick 的整数倍,例如鸿蒙内核默认是10ms触发一次,那么上层软件定时器只能是 10ms,20ms,100ms 等,而不能定时为 15ms。

定时器怎么管理?

LITE_OS_SEC_BSS SWTMR_CTRL_S    *g_swtmrCBArray = NULL;     /* First address in Timer memory space *///定时器池
LITE_OS_SEC_BSS UINT8           *g_swtmrHandlerPool = NULL; /* Pool of Swtmr Handler *///用于注册软时钟的回调函数
LITE_OS_SEC_BSS LOS_DL_LIST     g_swtmrFreeList;            /* Free list of Software Timer *///空闲定时器链表

typedef struct {//处理软件定时器超时的回调函数的结构体
    SWTMR_PROC_FUNC handler;    /**< Callback function that handles software timer timeout  */	//处理软件定时器超时的回调函数
    UINTPTR arg;                /**< Parameter passed in when the callback function
                                    that handles software timer timeout is called */	//调用处理软件计时器超时的回调函数时传入的参数
} SwtmrHandlerItem;

解读 三个全局变量可知,定时器是通过池来管理,在初始化阶段赋值.

  • g_swtmrCBArray 定时器池,初始化中一次性创建1024个定时器控制块供使用
  • g_swtmrHandlerPool 回调函数池,回调函数也是统一管理的,申请了静态内存保存. 池中放的是 SwtmrHandlerItem 回调函数描述符.
  • g_swtmrFreeList 空闲可供分配的定时器链表,鸿蒙的进程池,任务池,事件池都是这么处理的,没有印象的自行去翻看. g_swtmrFreeList上挂的是一个个的 SWTMR_CTRL_S
  • 要搞明白 SWTMR_CTRL_SSwtmrHandlerItem的关系,前者是一个定时器,后者是定时器时间到了去哪里干活.

初始化 -> OsSwtmrInit

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#define LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT 1024 // 最大支持的软件定时器数
LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSwtmrInit(VOID)
{
    UINT32 size;
    UINT16 index;
    UINT32 ret;
    SWTMR_CTRL_S *swtmr = NULL;
    UINT32 swtmrHandlePoolSize;
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
    if (cpuid == 0) {//确保以下代码块由一个CPU执行,g_swtmrCBArray和g_swtmrHandlerPool 是所有CPU共用的
        size = sizeof(SWTMR_CTRL_S) * LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;//申请软时钟内存大小 
        swtmr = (SWTMR_CTRL_S *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, size); /* system resident resource */ //常驻内存
        if (swtmr == NULL) {
            return LOS_ERRNO_SWTMR_NO_MEMORY;
        }

        (VOID)memset_s(swtmr, size, 0, size);//清0
        g_swtmrCBArray = swtmr;//软时钟
        LOS_ListInit(&g_swtmrFreeList);//初始化空闲链表
        for (index = 0; index < LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT; index++, swtmr++) {
            swtmr->usTimerID = index;//按顺序赋值
            LOS_ListTailInsert(&g_swtmrFreeList, &swtmr->stSortList.sortLinkNode);//通过sortLinkNode将节点挂到空闲链表 
        }
        //想要用静态内存池管理,就必须要使用LOS_MEMBOX_SIZE来计算申请的内存大小,因为需要点前缀内存承载头部信息.
        swtmrHandlePoolSize = LOS_MEMBOX_SIZE(sizeof(SwtmrHandlerItem), OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE);//计算所有注册函数内存大小
        //规划一片内存区域作为软时钟处理函数的静态内存池。
        g_swtmrHandlerPool = (UINT8 *)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem1, swtmrHandlePoolSize); /* system resident resource *///常驻内存
        if (g_swtmrHandlerPool == NULL) {
            return LOS_ERRNO_SWTMR_NO_MEMORY;
        }

        ret = LOS_MemboxInit(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandlePoolSize, sizeof(SwtmrHandlerItem));//初始化软时钟注册池
        if (ret != LOS_OK) {
            return LOS_ERRNO_SWTMR_HANDLER_POOL_NO_MEM;
        }
    }
    //每个CPU都会创建一个属于自己的 OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE 的队列
    ret = LOS_QueueCreate(NULL, OS_SWTMR_HANDLE_QUEUE_SIZE, &g_percpu[cpuid].swtmrHandlerQueue, 0, sizeof(CHAR *));//为当前CPU core 创建软时钟队列 maxMsgSize:sizeof(CHAR *)
    if (ret != LOS_OK) {
        return LOS_ERRNO_SWTMR_QUEUE_CREATE_FAILED;
    }

    ret = OsSwtmrTaskCreate();//每个CPU独自创建属于自己的软时钟任务,统一处理队列
    if (ret != LOS_OK) {
        return LOS_ERRNO_SWTMR_TASK_CREATE_FAILED;
    }

    ret = OsSortLinkInit(&g_percpu[cpuid].swtmrSortLink);//每个CPU独自对自己软时钟链表排序初始化,为啥要排序因为每个定时器的时间不一样,鸿蒙把用时短的排在前面
    if (ret != LOS_OK) {
        return LOS_ERRNO_SWTMR_SORTLINK_CREATE_FAILED;
    }

    return LOS_OK;
}

代码解读:

  • 每个CPU核都是独立处理定时器任务的,所以需要独自管理.OsSwtmrInit是负责初始化各CPU核定时模块功能的,注意在多CPU核时,OsSwtmrInit会被多次调用.
  • cpuid == 0代表主CPU核, 它最早执行这个函数,所以g_swtmrCBArrayg_swtmrHandlerPool是共用的,系统默认最多支持 1024 个定时器和回调函数.
  • 每个CPU核都创建了自己独立的 LOS_QueueCreate队列和任务OsSwtmrTaskCreate,并初始化了swtmrSortLink链表,关于链表排序可前往系列篇总目录 排序链表篇查看.

定时任务 -> 最高优先级

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsSwtmrTaskCreate(VOID)
{
    UINT32 ret, swtmrTaskID;
    TSK_INIT_PARAM_S swtmrTask;
    UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();//获取当前CPU id

    (VOID)memset_s(&swtmrTask, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S), 0, sizeof(TSK_INIT_PARAM_S));//清0
    swtmrTask.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)OsSwtmrTask;//入口函数
    swtmrTask.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;//16K默认内核任务栈
    swtmrTask.pcName = "Swt_Task";//任务名称
    swtmrTask.usTaskPrio = 0;//哇塞! 逮到一个最高优先级的任务 @note_thinking 这里应该用 OS_TASK_PRIORITY_HIGHEST 表示
    swtmrTask.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;//分离模式
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
    swtmrTask.usCpuAffiMask   = CPUID_TO_AFFI_MASK(cpuid);//交给当前CPU执行这个任务
#endif
    ret = LOS_TaskCreate(&swtmrTaskID, &swtmrTask);//创建任务并申请调度
    if (ret == LOS_OK) {
        g_percpu[cpuid].swtmrTaskID = swtmrTaskID;//全局变量记录 软时钟任务ID
        OS_TCB_FROM_TID(swtmrTaskID)->taskStatus |= OS_TASK_FLAG_SYSTEM_TASK;//告知这是一个系统任务
    }

    return ret;
}

代码解读:

  • 内核为每个CPU处理单独创建任务来处理定时器, 任务即线程, 外界可理解为内核开设了一个线程跑定时器.
  • 注意看任务的优先级 swtmrTask.usTaskPrio = 0; 0是最高优先级! 这并不多见! 内核会在第一时间响应软时钟任务.
  • 系列篇CPU篇中讲过每个CPU都有自己的任务链表和定时器任务,g_percpu[cpuid].swtmrTaskID = swtmrTaskID; 表示创建的任务和CPU具体核进行了捆绑.从此swtmrTaskID负责这个CPU的定时器处理.
  • 定时任务是一个系统任务,除此之外还有哪些是系统任务?
  • 任务入口函数OsSwtmrTask ,是任务的执行体,类似于[Java 线程中的run()函数]
  • usCpuAffiMask代表这个任务只能由这个CPU核来跑

队列消费者 -> OsSwtmrTask

//软时钟的入口函数,拥有任务的最高优先级 0 级!
LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsSwtmrTask(VOID)
{
    SwtmrHandlerItemPtr swtmrHandlePtr = NULL;
    SwtmrHandlerItem swtmrHandle;
    UINT32 ret, swtmrHandlerQueue;

    swtmrHandlerQueue = OsPercpuGet()->swtmrHandlerQueue;//获取定时器超时队列
    for (;;) {//死循环获取队列item,一直读干净为止
        ret = LOS_QueueRead(swtmrHandlerQueue, &swtmrHandlePtr, sizeof(CHAR *), LOS_WAIT_FOREVER);//一个一个读队列
        if ((ret == LOS_OK) && (swtmrHandlePtr != NULL)) {
            swtmrHandle.handler = swtmrHandlePtr->handler;//超时中断处理函数,也称回调函数
            swtmrHandle.arg = swtmrHandlePtr->arg;//回调函数的参数
            (VOID)LOS_MemboxFree(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandlePtr);//静态释放内存,注意在鸿蒙内核只有软时钟注册用到了静态内存
            if (swtmrHandle.handler != NULL) {
                swtmrHandle.handler(swtmrHandle.arg);//回调函数处理函数
            }
        }
    }
}

代码解读:

  • OsSwtmrTask是任务的执行体,只做一件事,消费定时器回调函数队列.
  • 任务在跑一个死循环,不断在读队列.关于队列的具体操作不在此处细说,系列篇中已有专门的文章讲解,可前往查看.
  • 每个CPU核都有属于自己的定时器回调函数队列,里面存放的是时间到了回调函数.
  • 但队列的数据怎么来呢? OsSwtmrTask只是在不断的消费队列,那生产者在哪里呢? 就是 OsSwtmrScan

队列生产者 -> OsSwtmrScan

LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsSwtmrScan(VOID)//扫描定时器,如果碰到超时的,就放入超时队列
{
    SortLinkList *sortList = NULL;
    SWTMR_CTRL_S *swtmr = NULL;
    SwtmrHandlerItemPtr swtmrHandler = NULL;
    LOS_DL_LIST *listObject = NULL;
    SortLinkAttribute* swtmrSortLink = &OsPercpuGet()->swtmrSortLink;//拿到当前CPU的定时器链表

    swtmrSortLink->cursor = (swtmrSortLink->cursor + 1) & OS_TSK_SORTLINK_MASK;
    listObject = swtmrSortLink->sortLink + swtmrSortLink->cursor;
	//由于swtmr是在特定的sortlink中,所以需要很小心的处理它,但其他CPU Core仍然有机会处理它,比如停止计时器
    /*
     * it needs to be carefully coped with, since the swtmr is in specific sortlink
     * while other cores still has the chance to process it, like stop the timer.
     */
    LOS_SpinLock(&g_swtmrSpin);

    if (LOS_ListEmpty(listObject)) {
        LOS_SpinUnlock(&g_swtmrSpin);
        return;
    }
    sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    ROLLNUM_DEC(sortList->idxRollNum);

    while (ROLLNUM(sortList->idxRollNum) == 0) {
        sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
        LOS_ListDelete(&sortList->sortLinkNode);
        swtmr = LOS_DL_LIST_ENTRY(sortList, SWTMR_CTRL_S, stSortList);

        swtmrHandler = (SwtmrHandlerItemPtr)LOS_MemboxAlloc(g_swtmrHandlerPool);//取出一个可用的软时钟处理项
        if (swtmrHandler != NULL) {
            swtmrHandler->handler = swtmr->pfnHandler;
            swtmrHandler->arg = swtmr->uwArg;

            if (LOS_QueueWrite(OsPercpuGet()->swtmrHandlerQueue, swtmrHandler, sizeof(CHAR *), LOS_NO_WAIT)) {
                (VOID)LOS_MemboxFree(g_swtmrHandlerPool, swtmrHandler);
            }
        }

        if (swtmr->ucMode == LOS_SWTMR_MODE_ONCE) {
            OsSwtmrDelete(swtmr);

            if (swtmr->usTimerID < (OS_SWTMR_MAX_TIMERID - LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT)) {
                swtmr->usTimerID += LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;
            } else {
                swtmr->usTimerID %= LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR_LIMIT;
            }
        } else if (swtmr->ucMode == LOS_SWTMR_MODE_NO_SELFDELETE) {
            swtmr->ucState = OS_SWTMR_STATUS_CREATED;
        } else {
            swtmr->ucOverrun++;
            OsSwtmrStart(swtmr);
        }

        if (LOS_ListEmpty(listObject)) {
            break;
        }

        sortList = LOS_DL_LIST_ENTRY(listObject->pstNext, SortLinkList, sortLinkNode);
    }

    LOS_SpinUnlock(&g_swtmrSpin);
}

代码解读:

  • OsSwtmrScan 函数是在系统时钟处理函数 OsTickHandler 中调用的,它就干一件事,不停的比较定时器是否超时
  • 一旦超时就把定时器的回调函数扔到队列中,让 OsSwtmrTask去消费.

总结

  • 定时器池 g_swtmrCBArray 存储内核所有的定时器,默认1024个,各CPU共享这个池

  • 定时器响应函数池g_swtmrHandlerPool 存储内核所有的定时器响应函数,默认1024个,各CPU也共享这个池

  • 每个CPU核都有独立的任务(线程)来处理定时器, 这个任务叫定时任务

  • 每个CPU核都有独立的响应函数队列swtmrHandlerQueue,队列中存放该核时间到了的响应函数SwtmrHandlerItem

  • 定时任务的优先级最高,循环读取队列swtmrHandlerQueueswtmrHandlerQueue中存放是定时器时间到了的响应函数.并一一回调这些响应函数.

  • OsSwtmrScan负责扫描定时器的时间是否到了,到了就往队列swtmrHandlerQueue中扔.

  • 定时器有多种模式,包括单次,循环.所以循环类定时器的响应函数会多次出现在swtmrHandlerQueue中.

百篇博客分析.深挖内核地基

  • 给鸿蒙内核源码加注释过程中,整理出以下文章。内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感,容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切.确实有难度,自不量力,但已经出发,回头已是不可能的了。 😛
  • 与代码有bug需不断debug一样,文章和注解内容会存在不少错漏之处,请多包涵,但会反复修正,持续更新,v**.xx 代表文章序号和修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容。

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