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Linux时间子系统之四:Timer在用户和内核空间流程

2017-11-30 16:22 302 查看
用户空间应用中创建一个Timer(alarm/setitimer/POSIX Timer等等),然后程序继续执行;

内核进入创建/设置Timer系统调用,开始计时,在超时后通过何种方式通知用户空间;

用户空间又是如何执行回调函数的。

下面就着重这个流程,梳理一下Timer周期中用户空间和内核空间涉及到的相关模块。

1. 总体框架

关注的Timer(alarm/setitimer/POSIX Timer),都在libc/librt/libphtread中定义。librt是POSIX.1b Realtime扩展的实现,这其中就包括POSIX Timer。

其中alarm/setitimer都调用libc,POSIX Timer调用librt/libpthread。

总体框架如下:



❶应用调用库通过系统调用创建Timer,同时自身注册信号处理函数。

❷库提供通用接口,转换成系统调用。

❸内核Timer相关系统调用(setitimer/timer_create),通过hrtimer创建相应的定时器,在超时后调用hrtimer超时函数发送signal给用户空间进程。

❹用户空间进程在收到信号之后,执行对应的信号处理函数。

至此,Timer一个闭环完成。

下面分alarm/setitimer和POSIX Timer两种类型的Timer,来介绍其流程。

2. alarm/setitimer流程

linux/common/alarm.c中实现了alarm,可以看到和setitimer相同的接口。

#ifdef __NR_alarm
_syscall1(unsigned int, alarm, unsigned int, seconds)
#else
#include <sys/time.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds)
{
...
if (setitimer(ITIMER_REAL, &new, &old) < 0) {
return 0;
}
...
}
#endif


即使定义了alarm系统调用,在内核中alarm和setitimer也是调用相同的do_setitimer。所以这两个API在内核的实现是一致的。

SYSCALL_DEFINE1(alarm, unsigned int, seconds)
{
return alarm_setitimer(seconds);
}

unsigned int alarm_setitimer(unsigned int seconds)
{
...
do_setitimer(ITIMER_REAL, &it_new, &it_old);
...
}

SYSCALL_DEFINE3(setitimer, int, which, struct itimerval __user *, value,
struct itimerval __user *, ovalue)
{
...
error = do_setitimer(which, &set_buffer, ovalue ? &get_buffer : NULL);
...
}


所以研究do_setitimer就可以分析这两个API的内核实现。

int do_setitimer(int which, struct itimerval *value, struct itimerval *ovalue)
{
...
switch (which) {
case ITIMER_REAL:
again:
spin_lock_irq(&tsk->sighand->siglock);
timer = &tsk->signal->real_timer;---------------------------------这里是task_struct结构体中的real_timer这个hrtimer。所以alarm/setitimer一个进程/线程空间中只能存在一个。
if (ovalue) {
ovalue->it_value = itimer_get_remtime(timer);
ovalue->it_interval
= ktime_to_timeval(tsk->signal->it_real_incr);
}
/* We are sharing ->siglock with it_real_fn() */
if (hrtimer_try_to_cancel(timer) < 0) {
spin_unlock_irq(&tsk->sighand->siglock);
goto again;
}
expires = timeval_to_ktime(value->it_value);
if (expires.tv64 != 0) {
tsk->signal->it_real_incr =
timeval_to_ktime(value->it_interval);
hrtimer_start(timer, expires, HRTIMER_MODE_REL);--------------启动alarm/setitimer对应的hrtimer。
} else
tsk->signal->it_real_incr.tv64 = 0;

trace_itimer_state(ITIMER_REAL, value, 0);
spin_unlock_irq(&tsk->sighand->siglock);
break;
...
}
return 0;
}


那么real_timer这个hrtimer的处理函数在何时初始化的呢?

可以看出在进程创建的时候,已经初始化了real_timer。对应的超时函数是it_real_fn,发送SIGALRM信号给对应的进程。然后用户空间执行SIGALRM处理函数。

do_fork-->
copy_process-->
copy_signal-->

static int copy_signal(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
{
...
hrtimer_init(&sig->real_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);--------初始化real_timer定时器。
sig->real_timer.function = it_real_fn;
...
}

/*
* The timer is automagically restarted, when interval != 0
*/
enum hrtimer_restart it_real_fn(struct hrtimer *timer)
{
struct signal_struct *sig =
container_of(timer, struct signal_struct, real_timer);

trace_itimer_expire(ITIMER_REAL, sig->leader_pid, 0);
kill_pid_info(SIGALRM, SEND_SIG_PRIV, sig->leader_pid);--------------------发送SIGALRM信号。

return HRTIMER_NORESTART;
}


3. POSIX Timer流程

POSIX Timer在libpthread\nptl\sysdeps\unix\sysv\linux\timer_create.c中创建。

int
timer_create (
clockid_t clock_id,
struct sigevent *evp,
timer_t *timerid)
{
# undef timer_create
# ifndef __ASSUME_POSIX_TIMERS
if  (__no_posix_timers >= 0)
# endif
{
...
kernel_timer_t ktimerid;
int retval = INLINE_SYSCALL (timer_create, 3, syscall_clockid, evp,-------------通过timer_create系统调用创建Timer。
&ktimerid);
...
}
else
{
# ifndef __ASSUME_POSIX_TIMERS
...
if (__no_posix_timers > 0)
# endif
{
/* Create the helper thread.  */
pthread_once (&__helper_once, __start_helper_thread);----------------------单独创建线程来处理,一次初始化。
if (__helper_tid == 0)
{
/* No resources to start the helper thread.  */
__set_errno (EAGAIN);
return -1;
}
...
res = INTERNAL_SYSCALL (timer_create, err, 3,------------------------------通过timer_create系统调用来创建Timer。
syscall_clockid, &sev, &newp->ktimerid);
...
}
}
}

# ifndef __ASSUME_POSIX_TIMERS
/* Compatibility code.  */
return compat_timer_create (clock_id, evp, timerid);
# endif
}

__start_helper_thread-->
timer_helper_thread-->
timer_sigev_thread-----------------------------------------------------------此线程在定时器超时后,才会创建。
thrfunc------------------------------------------------------------------调用用户提供的超时回调函数。


再来看看内核中的实现,这里主要看common_timer_create和alarm_timer_create两种类型。

SYSCALL_DEFINE3(timer_create, const clockid_t, which_clock,
struct sigevent __user *, timer_event_spec,
timer_t __user *, created_timer_id)
{
...
if (timer_event_spec) {
if (copy_from_user(&event, timer_event_spec, sizeof (event))) {
error = -EFAULT;
goto out;
}
rcu_read_lock();
new_timer->it_pid = get_pid(good_sigevent(&event));------------如果用户提供了sigevent,获取pid。
rcu_read_unlock();
if (!new_timer->it_pid) {
error = -EINVAL;
goto out;
}
} else {
memset(&event.sigev_value, 0, sizeof(event.sigev_value));
event.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
event.sigev_signo = SIGALRM;
event.sigev_value.sival_int = new_timer->it_id;
new_timer->it_pid = get_pid(task_tgid(current));--------------如果没有提供sigevent,使用默认的SIGALRM。
}

new_timer->it_sigev_notify     = event.sigev_notify;
new_timer->sigq->info.si_signo = event.sigev_signo;
new_timer->sigq->info.si_value = event.sigev_value;
new_timer->sigq->info.si_tid   = new_timer->it_id;
new_timer->sigq->info.si_code  = SI_TIMER;

if (copy_to_user(created_timer_id,--------------------------------返回timer_id给用户空间
&new_timer_id, sizeof (new_timer_id))) {
error = -EFAULT;
goto out;
}

error = kc->timer_create(new_timer);-----------------------------------------调用common_timer_create或者alarm_timer_create创建定时器
if (error)
goto out;
...
}

static int common_timer_create(struct k_itimer *new_timer)
{
hrtimer_init(&new_timer->it.real.timer, new_timer->it_clock, 0);-------------初始化hrtimer
return 0;
}


那么超时函数在哪里设置的呢?

static int
common_timer_set(struct k_itimer *timr, int flags,
struct itimerspec *new_setting, struct itimerspec *old_setting)
{
...
mode = flags & TIMER_ABSTIME ? HRTIMER_MODE_ABS : HRTIMER_MODE_REL;
hrtimer_init(&timr->it.real.timer, timr->it_clock, mode);-------------------重新初始化hrtimer
timr->it.real.timer.function = posix_timer_fn;------------------------------hrtimer回调函数

hrtimer_set_expires(timer, timespec_to_ktime(new_setting->it_value));
...
}


在回调函数中,进行了超时处理。

static enum hrtimer_restart posix_timer_fn(struct hrtimer *timer)
{
...
if (posix_timer_event(timr, si_private)) {----------------------------------发送信号
...
}
}
...
}

int posix_timer_event(struct k_itimer *timr, int si_private)
{
...
timr->sigq->info.si_sys_private = si_private;

rcu_read_lock();
task = pid_task(timr->it_pid, PIDTYPE_PID);-------------------------------根据pid获取task实体
if (task) {
shared = !(timr->it_sigev_notify & SIGEV_THREAD_ID);
ret = send_sigqueue(timr->sigq, task, shared);------------------------将当前信号队列发送到对应的用户空间对应的task,进程在收到信号后进行相应处理
}
rcu_read_unlock();
/* If we failed to send the signal the timer stops. */
return ret > 0;
}


那么如果是Alarm类型的Timer,情况如何呢?

static int alarm_timer_create(struct k_itimer *new_timer)
{
...
alarm_init(&new_timer->it.alarm.alarmtimer, type, alarm_handle_timer);-----------初始化alarmtimer,回调函数是alarm_handle_timer
...
}

static enum alarmtimer_restart alarm_handle_timer(struct alarm *alarm,
ktime_t now)
{
...
if ((ptr->it_sigev_notify & ~SIGEV_THREAD_ID) != SIGEV_NONE) {
if (posix_timer_event(ptr, 0) != 0)------------------------------------------和其他POSIX Timer一样发送signal信号
ptr->it_overrun++;
}
...
}

static int alarm_timer_set(struct k_itimer *timr, int flags,
struct itimerspec *new_setting,
struct itimerspec *old_setting)
{
...
alarm_start(&timr->it.alarm.alarmtimer, exp);-------------------------------------启动AlarmTimer
...
}


4. 总结

所以无论是alarm/setitimer,还是POSIX Timer都是通过发送signal来通知用户应用。只是用户空间处理消息的方式有所不同。

由于Timer经过库的封装,不光要看内核,还需要研究库对API进行了何种封装。才能更好的了解其行为。

也由于库的种类(lig/glib/ulib等)和版本千差万别,所以也需要引起重视。

一个关于libpthread引起的POSIX Timer执行异常情况。

描述:在一个进程中创建三个SIGEV_THREAD类型POSIX Timer,但是超时只执行一个回调函数。其他两个没有被调用。

问题分析:SIGCANCEL这个信号导致,timer_create创建helper thread失败。Timer超时后,回调函数也不会被执行。

解决方法:

void
attribute_hidden
__start_helper_thread (void)
{
...
sigset_t ss;
sigset_t oss;
sigfillset (&ss);
/*__sigaddset (&ss, SIGCANCEL); - already done by sigfillset */

__sigaddset (&ss, SIGCANCEL);--------------------------------修改方法

...
}
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