低精度定时器 (timer_list) 和 高精度定时器 (hrtimer)

Linux 内核提供了两种主要类型的定时器，以满足不同的时间精度需求：低精度定时器 (timer_list) 和 高精度定时器 (hrtimer)。它们各有特点和适用场景。下面，我将分别提供它们在内核代码中的简化使用示例。

1. 低精度定时器 (timer_list) 示例

timer_list 是最基本的定时器，精度依赖于系统时钟节拍（jiffies），通常是毫秒级。它适用于对时间精度要求不高，允许一定误差的周期性或延迟任务。

特点：

  • 精度：毫秒级（受 HZ 限制）。

  • 开销：较小。

  • 用途：简单的后台任务、超时检测、不频繁的周期性事件。

使用步骤：

  1. 定义 struct timer_list 变量。

  2. 初始化 timer_list： 使用 timer_setup() 或 init_timer()（较旧）指定回调函数。

  3. 设置定时器： 使用 mod_timer() 设定到期时间。

  4. 删除定时器： 使用 del_timer() 或 del_timer_sync()（等待回调完成）在不再需要时清理。

代码示例：

这是一个简单的内核模块，它会设置一个定时器，在 5 秒后首次触发，然后每隔 3 秒周期性地打印一条消息。

C

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h> // 用于 jiffies 变量// 1. 定义一个 timer_list 结构体变量
static struct timer_list my_low_res_timer;
static int counter = 0;// 2. 定义定时器到期时要执行的回调函数
void low_res_timer_callback(struct timer_list *t)
{// 获取 timer_list 结构体变量的指针// （如果 timer_setup() 的 data 参数不为空，也可以通过 t->data 获取）// 或者直接使用全局变量 my_low_res_timer，这里不需要特殊的解引用pr_info("Low-res timer triggered! Counter: %d\n", ++counter);// 如果需要周期性触发，必须重新设置定时器// 这里设置为从现在起，每隔 3 秒触发一次mod_timer(&my_low_res_timer, jiffies + HZ * 3);
}// 模块初始化函数
static int __init my_low_res_init(void)
{pr_info("Loading low-res timer module...\n");// 3. 初始化定时器：绑定回调函数// timer_setup(&my_low_res_timer, low_res_timer_callback, 0);// 从 Linux 4.14+，推荐使用 timer_setup。第三个参数是 data，这里不需要就设为0。timer_setup(&my_low_res_timer, low_res_timer_callback, 0);// 4. 设置并启动定时器：5 秒后首次触发// jiffies 是当前系统启动以来的时钟节拍数// HZ 是每秒的节拍数（通常是 100、250 或 1000）mod_timer(&my_low_res_timer, jiffies + HZ * 5);pr_info("Low-res timer armed for 5 seconds (initial) and then every 3 seconds.\n");return 0;
}// 模块退出函数
static void __exit my_low_res_exit(void)
{// 5. 删除定时器：防止模块卸载后定时器仍然触发// del_timer_sync() 会等待回调函数执行完毕，更安全del_timer_sync(&my_low_res_timer);pr_info("Low-res timer module unloaded and timer deleted.\n");
}module_init(my_low_res_init);
module_exit(my_low_res_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple low-resolution timer example module.");

dump_stack输出，其使用softirq： 

[200643.659695] Call trace:
[200643.662215]  dump_backtrace+0x9c/0x100
[200643.666045]  show_stack+0x20/0x40
[200643.669435]  dump_stack_lvl+0x90/0xb0
[200643.673174]  dump_stack+0x18/0x28
[200643.676563]  low_res_timer_callback+0x3c/0x60 [low_res_timer_example]
[200643.683081]  call_timer_fn+0x3c/0x158
[200643.686819]  __run_timers+0x340/0x3a8
[200643.690555]  run_timer_softirq+0x28/0x50
[200643.694551]  handle_softirqs+0x178/0x3b8
[200643.698549]  __do_softirq+0x1c/0x28
[200643.702112]  ____do_softirq+0x18/0x30
[200643.705849]  call_on_irq_stack+0x24/0x58
[200643.709846]  do_softirq_own_stack+0x24/0x38
[200643.714102]  irq_exit_rcu+0xd0/0x110
[200643.717752]  el1_interrupt+0x38/0x58
[200643.721403]  el1h_64_irq_handler+0x18/0x28
[200643.725575]  el1h_64_irq+0x64/0x68
[200643.729050]  default_idle_call+0x80/0x148
[200643.733136]  do_idle+0x298/0x310
[200643.736438]  cpu_startup_entry+0x3c/0x50
[200643.740435]  rest_init+0xd0/0xd8
[200643.743738]  arch_call_rest_init+0x18/0x20
[200643.747913]  start_kernel+0x53c/0x6b8
[200643.751650]  __primary_switched+0xbc/0xd0

 

2. 高精度定时器 (hrtimer) 示例

hrtimer 提供纳秒级的精确控制，不依赖于 jiffies，并且能主动唤醒 CPU。它适用于实时系统、多媒体处理、电源管理等对时间精度有严格要求的场景。

特点：

  • 精度：纳秒级（使用硬件定时器）。

  • 开销：相对较大。

  • 用途：实时控制、高频事件、精确的延迟和唤醒。

使用步骤：

  1. 定义 struct hrtimer 变量。

  2. 初始化 hrtimer： 使用 hrtimer_init() 指定时钟源和定时器模式。

  3. 设置回调函数： 将回调函数指针赋值给 hrtimer->function。

  4. 设置到期时间： 使用 ktime_set() 创建 ktime_t 类型的时间值。

  5. 启动定时器： 使用 hrtimer_start()。

  6. 取消定时器： 使用 hrtimer_cancel() 或 hrtimer_try_to_cancel()。

代码示例：

这是一个内核模块，它会设置一个高精度定时器，每隔 500 微秒（0.5 毫秒）触发一次。

C

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/hrtimer.h> // 高精度定时器头文件
#include <linux/ktime.h>   // ktime_t 时间类型// 1. 定义一个 hrtimer 结构体变量
static struct hrtimer my_high_res_timer;
static ktime_t interval_time; // 定义定时器间隔时间
static int hr_counter = 0;// 2. 定义定时器到期时要执行的回调函数
// 回调函数必须返回 enum hrtimer_restart 类型
enum hrtimer_restart high_res_timer_callback(struct hrtimer *timer)
{pr_info("High-res timer triggered! HR_Counter: %d\n", ++hr_counter);// 如果需要周期性触发，必须重新设置到期时间// hrtimer_forward_now() 会在当前时间的基础上，向前推进到下一个间隔点hrtimer_forward_now(timer, interval_time);return HRTIMER_RESTART; // 表示定时器需要重新启动
}// 模块初始化函数
static int __init my_high_res_init(void)
{pr_info("Loading high-res timer module...\n");// 3. 初始化 hrtimer// CLOCK_MONOTONIC: 单调递增时钟（不受系统时间调整影响）// HRTIMER_MODE_REL: 相对模式（时间间隔相对于当前时间）hrtimer_init(&my_high_res_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);// 4. 设置回调函数my_high_res_timer.function = high_res_timer_callback;// 5. 设置定时器间隔：500 微秒 (0.5毫秒)// ktime_set(seconds, nanoseconds)interval_time = ktime_set(0, 500 * 1000); // 0秒，500000纳秒 = 500微秒  //实际测试需要将时间改大一点避免打印过多。// 6. 启动定时器：首次到期时间设置为 interval_timehrtimer_start(&my_high_res_timer, interval_time, HRTIMER_MODE_REL);pr_info("High-res timer armed for every 500 microseconds.\n");return 0;
}// 模块退出函数
static void __exit my_high_res_exit(void)
{// 7. 取消定时器：防止模块卸载后定时器仍然触发// hrtimer_cancel() 返回 0 表示定时器未激活，非 0 表示已取消int ret = hrtimer_cancel(&my_high_res_timer);if (ret) {pr_info("High-res timer was still active and cancelled.\n");} else {pr_info("High-res timer was not active.\n");}pr_info("High-res timer module unloaded.\n");
}module_init(my_high_res_init);
module_exit(my_high_res_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple high-resolution timer example module.");

dump_stack输出：  

[  220.944207][    C2] Call trace:
[  220.947334][    C2]  dump_backtrace+0xa0/0x128
[  220.951765][    C2]  show_stack+0x20/0x38
[  220.955761][    C2]  dump_stack_lvl+0x78/0xc8
[  220.960106][    C2]  dump_stack+0x18/0x28
[  220.964102][    C2]  high_res_timer_callback+0x40/0x78 [high_res_timer_example]
[  220.971399][    C2]  __run_hrtimer+0x84/0x270
[  220.975743][    C2]  __hrtimer_run_queues+0xb4/0x140
[  220.980694][    C2]  hrtimer_interrupt+0x10c/0x348
[  220.985471][    C2]  arch_timer_handler_phys+0x34/0x58
[  220.990596][    C2]  handle_percpu_devid_irq+0x90/0x1c8
[  220.995807][    C2]  handle_irq_desc+0x48/0x68
[  221.000238][    C2]  generic_handle_domain_irq+0x24/0x38
[  221.005537][    C2]  __gic_handle_irq_from_irqson+0x18c/0x2c8
[  221.011268][    C2]  gic_handle_irq+0x2c/0xb0
[  221.015612][    C2]  call_on_irq_stack+0x24/0x30
[  221.020217][    C2]  do_interrupt_handler+0x88/0x98
[  221.025082][    C2]  el1_interrupt+0x54/0x120
[  221.029426][    C2]  el1h_64_irq_handler+0x24/0x30
[  221.034203][    C2]  el1h_64_irq+0x78/0x80
[  221.038285][    C2]  default_idle_call+0x74/0x150
[  221.042977][    C2]  cpuidle_idle_call+0x18c/0x200
[  221.047754][    C2]  do_idle+0xbc/0x188
[  221.051578][    C2]  cpu_startup_entry+0x40/0x50
[  221.056182][    C2]  secondary_start_kernel+0x14c/0x1d8
[  221.061395][    C2]  __secondary_switched+0xb8/0xc0

 

编译和加载

要编译这些模块，你需要一个 Makefile：

Makefile

obj-m := low_res_timer_example.o high_res_timer_example.oKDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)all:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

然后，在 Linux 系统上执行：

  1. make

  2. sudo insmod low_res_timer_example.ko 或 sudo insmod high_res_timer_example.ko

  3. 通过 dmesg -w 观察内核日志输出。

  4. sudo rmmod low_res_timer_example 或 sudo rmmod high_res_timer_example

这些例子展示了如何在 Linux 内核中使用这两种不同精度的定时器，帮助你根据实际需求进行选择。

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