谈Linux内核定时器

看了3个周末的Linux内核,包括前两周总结的进程与线程,锁与同步.当时研究这个的原因是某个程序CPU context switch过高.不过到现在相关的背景知识也了解了,问题也早已经解决了,暂时也没有进一步的兴趣驱动去研究内核了,这里是终结篇.:)

在应用程序运行的时候,特别是抢占式的操作系统里面,内核怎么样取得控制权？这依赖硬件支持的系统定时器来实现.内核中有非常多的功能由定时器触发.系统定时器以固定的频率触发,这个频率称为tick rate(HZ),每个触发周期的时间叫做tick, 它等于1/HZ秒.触发后系统会转到内核相应的handler去处理.

在系统定时器中断时候内核需要做以下事情

• 更新uptime, time of day, resource及处理器使用状态
• 检查多处理器是否负载均衡
• 检查当前进程是否timeslice是否用完,如果用完则重新分配下阶段计划(reschedule)
• 运行应用程序自定义的定时器(dynamic timers)

了解了tick rate之后才能比较好理解为什么sleep(), timer等API声称都不是提供精确的时间,cpu一个任务timeslice没运行完,系统是不会马上切换到这些dynamic timer的进程的.

Linux 2.5以上将tick从100改成1000,相当于系统时钟从10ms变成每1ms要中断一次,当时也引起较大的争议.

改成1000的优点有：

• 系统时钟精度更高更准确.
• 系统调用如poll(), select() 等依赖系统时钟的调用性能得到很大改善.
• 内核实时运行指标如资源占用,uptime更准确.
• 抢占式机制更精确.

缺点：
我们知道定时器频繁被触发必将会增加开销,降低throughput.这是很多人反对改成1000的理由.原理上它在CPU的时间中断上将会增加10倍的开销.但现代CPU硬件速度的变快.大家也逐渐认可了新的调整不会给整体性能带来大的影响.如果在意这一点的可以重新编译内核, 将<asm/param.h>中HZ的值由1000降低.目前可以接受的值有100,500和1000.

Linux 2.6.21 又增加了一种叫dyntick的技术,dyntick就是在系统空闲的时候,彻底停止时间中断, 避免cpu空转,它会带来节能方面的好处.详情可参看Clockevents and dyntick.这是个新的技术,一般的书上都没来得及写进去.

比较感兴趣的后续课题是virtualization系统中的timer实现.

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