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 | 51.c.h .o
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_S 和 SwtmrHandlerItem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
#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_swtmrCBArray和g_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swtmrHandlerQueue， swtmrHandlerQueue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.
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