【操作系统百科】定时器

内核需要”过一会儿做某事”——TCP 重传、watchdog、调度器时间片。定时器是底层时间机制的核心。

一、先看图

flowchart TD
    subgraph 低精度
        WHEEL[Timer Wheel<br/>层次哈希<br/>jiffies 精度]
    end
    subgraph 高精度
        HRTIMER[hrtimer<br/>红黑树<br/>纳秒精度]
    end
    WHEEL --> JIFFIES[基于 jiffies<br/>毫秒级]
    HRTIMER --> CLOCKEV[clock_event_device<br/>硬件定时器]

    classDef low fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    classDef high fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class WHEEL,JIFFIES low
    class HRTIMER,CLOCKEV high

二、Timer Wheel（低精度）

2.1 层次结构

struct timer_list {
    struct hlist_node entry;
    unsigned long expires;     // jiffies
    void (*function)(struct timer_list *);
};

分层 wheel：

• Level 0：1 tick（1-4ms）
• Level 1：8 ticks
• Level 2：64 ticks
• …

越远的定时器放在越粗的层 → 到期时再细化。

2.2 使用

struct timer_list timer;
timer_setup(&timer, callback, 0);
mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(100));
del_timer_sync(&timer);

2.3 精度

jiffies 精度 = HZ 配置（100/250/1000 Hz）→ 1-10ms。

三、hrtimer（高精度）

3.1 数据结构

struct hrtimer {
    struct timerqueue_node node;   // 红黑树节点
    ktime_t _softexpires;          // 最早到期时间
    enum hrtimer_restart (*function)(struct hrtimer *);
};

3.2 使用

struct hrtimer timer;
hrtimer_init(&timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
timer.function = callback;
hrtimer_start(&timer, ktime_set(0, 100000), HRTIMER_MODE_REL);  // 100μs

3.3 精度

取决于硬件（TSC、LAPIC timer、ARM generic timer）→ 纳秒级。

四、clock_event_device

硬件定时器的抽象：

struct clock_event_device {
    void (*event_handler)(struct clock_event_device *);
    int (*set_next_event)(unsigned long, struct clock_event_device *);
    // ...
};

hrtimer 编程下一个到期时间到 clock_event_device → 硬件在到期时触发中断。

五、tick 与无 tick

5.1 周期 tick

每 HZ 次/秒产生 tick 中断 → 更新 jiffies、检查定时器、调度。

5.2 动态 tick（NO_HZ_IDLE）

空闲时跳过 tick → 省电。

5.3 全无 tick（NO_HZ_FULL）

运行中也跳过 tick → 减少干扰。

六、Slack 与 Coalescing

timer_setup(&timer, callback, 0);
timer.slack = msecs_to_jiffies(50);  // 允许 50ms 偏差

内核合并临近的定时器到期 → 减少唤醒次数 → 省电。

/proc/timer_stats（已废弃）→ perf tracepoints 替代。

七、定时器迁移

CPU 即将下线 → 迁移该 CPU 的定时器到其他 CPU。

NO_HZ_FULL：把非关键定时器迁移到 housekeeping CPU → 隔离 CPU 无 tick 干扰。

八、用户态定时器

推荐 timerfd → 与事件循环组合。

九、观察

cat /proc/timer_list              # 所有定时器（巨大输出）
cat /proc/timer_list | head -50   # 活跃 hrtimer

perf stat -e timer:hrtimer_start -a sleep 1
bpftrace -e 'tracepoint:timer:hrtimer_start { @[kstack(3)] = count(); }'

十、小结

• Timer wheel：低精度（ms）、大量超时场景（TCP、缓存过期）
• hrtimer：高精度（ns）、调度时间片、timerfd
• clock_event_device 是硬件定时器抽象
• NO_HZ 跳过 tick → 省电、隔离
• 定时器迁移支持 CPU 热插拔和隔离

参考文献

• kernel/time/timer.c（wheel）
• kernel/time/hrtimer.c
• Documentation/timers/
• Thomas Gleixner, “hrtimers and beyond.” OLS 2006

工具

• /proc/timer_list
• perf timer tracepoints
• bpftrace
• timerfd_create(2)

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