13. 时间操作（二）

上一节主要说了如何进行延迟操作，这些延迟都是操作当前线程，使得当前线程阻塞或休眠，等到时间到达后再继续在当前线程执行的延迟方法。如果需要在将来的某个时间点执行，而当前线程不阻塞，则需要使用异步延迟的操作方法。

本节主要介绍几个异步延迟操作的方法，包括以下：

内核定时器
tasklet机制
工作队列

1. 内核定时器

内核定时器是一个数据结构，它告诉内核在用户定义的时间点使用用户定义的参数执行一个用户定义的函数，其位于 <linux/timer> 中。

内核定时器常常作为软件中断的结果而运行的，是运行在原子性的上下文中。在这种上下文中需要遵守以下规则：

不允许访问用户空间：因为没有进程上下文，无法将任何特定的进程和用户空间关联起来；
current指针在当前上下文中没有任何意义，也是不可用的：因为相关代码和被中断的进程没有任何关联；
不能执行休眠或调度：不能高调用任何可能引起休眠的函数。

在内核代码中，可以通过 in_interrupt() 函数来判断当前是否处于中断上下文中，如果处于中断上下文，则返回非0的值。

定时器相关的常用API如下：

#include <linux/timer.h>
void init_timer(struct timer_list *timer);
struct timer_list TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data);
void add_timer(struct timer_list *timer);
int del_timer(struct timer_list *timer);
int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);
int del_timer_sync(struct timer_list *timer);
int timer_pending(const struct timer_list *timer);

使用 struct timer_list 来表示一个定时器，对该定时器的初始化可以使用 TIMER_INITIALIZER 宏或者 init_timer 函数实现。

TIMER_INITIALIZER 宏中，_function 表示定时器时间到达后执行的函数；_expires 表示定时时间，指的是 jiffies 值；_data 表示 _function 函数执行的参数。

使用 init_time 函数初始化后，需要手动填充上面的三个参数：

timer->data = _data;
timer->function = _function;
timer->expires = _expires;

在调用 add_timer 函数之前，可以修改上面的三个参数。add_timer 后，定时器开始调度，到达 expires 指定的 jiffies 时间后，开始执行对应的函数。

del_timer 表示删除指定的定时器，但它不能够知道定时器函数是否已经在运行了。

del_timer_sync 作用与del_timer类似，但该函数可以确保返回时没有任何CPU在运行定时器函数。

mod_timer 函数的作用是更新某个定时器的到期时间；

timer_pending 函数的作用是判断指定的定时器是否正在被调度运行。

2. tasklet机制

tasklet机制在中断管理中大量使用。该机制与内核定时器非常类似。

不同之处是我们不能指定tasklet在某个给定的时间执行：使用tasklet机制表明我们只是希望内核选择某个其后的时间来执行给定的函数。

tasklet机制的常用API如下：

#include <linux/interrupt.h>

void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, void (*func)(unsigned long), unsigned long data);
DECLARE_TASKLET(name, func, data);
DECLARE_TASKLET_DISABLE(name, func, data);
void tasklet_disable(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_disable_nosync(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_enable(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_hi_schedule(struct tasklet_struct *t);
void tasklet_kill(struct tasklet_struct *t);

tasklet_disable 表示禁用指定的tasklet，其状态是同步的，即如果 tasklet 正在被调用，则其会等待 tasklet 执行完成后返回；

tasklet_disable_nosync 作用于tasklet_disable类似，不过不会等待 tasklet 退出，即该函数返回时，可能指定的 tasklet 仍在其他CPU上运行；

tasklet_enable 表示启用一个之前被禁用的tasklet；

tasklet_schedule 表示开始调度指定的tasklet：如果该 tasklet 被禁用，则会在其启用后开始调度；如果在 tasklet 运行前再次被调度，则只会被调度一次；如果 tasklet 正在运行时被调度，则其会在运行完成后再次被运行；

tasklet_hi_schedule 表示以高优先级调度；

tasklet_kill 确保指定的 tasklet 不会再次被调度运行，一般在设备关闭或模块被移除时调用。

3. 工作队列

工作队列与上面两种异步延迟的方式有以下区别：

工作队列运行在一个特殊的内核进程上下文，因此其可以休眠；
可以给定延迟时间或者可以由内核决定什么时候执行；
可以运行在其他CPU上；

使用工作队列时，我们需要先创建一个工作队列：

#include <linux/workqueue.h>
struct workqueue_struct *create_workqueue(const char *name);
struct workqueue_struct *create_singlethread_workqueue(const char *name);

每个工作队列有一个或多个专用的内核线程，用于执行提交到该队列上的上述。使用 create_workqueue 会在每个处理器上为该工作队列创建专用内核线程；使用
create_singlethread_workqueue 只会在一个处理器上创建。因此，如果当个工作线程足够使用，应该使用 create_singlethread_workqueue 来创建工作队列。

工作队列创建完成后，要向其中添加任务，任务用 struct work_struct 结构体表示。如果需要在编译时完成任务的填充，可以使用以下宏：

DECLARE_WORK(name, void (*function(void *), void *data);

如果需要在运行时填充任务，则可以使用以下两个宏：

INIT_WORK(struct work_struct *work, void (*function)(void *), void *data);
PREPARE_WORK(struct work_struct *work, void (*function)(void *), void *datra);

首次构造时需要使用 INIT_WORK 来初始化，如果任务已经被提交到工作队列，只需要修改任务，则应该使用 PREPARE_WORK。

将工作任务提交到工作队列使用以下函数：

int queue_work(struct workqueue_struct *queue, struct work_struct *work);
int queue_delayed_work(struct workqueue_struct *queue, struct work_struct *work, unsigned long delay);

queue_delayed_work 表示工作任务至少会经过指定的 jiffies 时间后才会被执行。

上述添加函数如果返回值是1，表示成功将工作任务添加到队列中，在将来的某个时间，工作函数会被调用，并传入给定的data值。

如果要取消某个工作任务，使用以下函数：

int cancel_delayed_work(struct work_struct *work);

如果返回非0值，则表示工作在开始前被取消，内核不会执行工作函数；如果返回0，则说明工作函数正在其他处理器上执行或已经执行完成。

清除之前提交到队列中的工作使用

void flush_workqueue(struct workqueue_struct *queue);

最后，使用完成工作队列后，需要释放工作队列，回收相关资源：

void destroy_workqueue(struct workqueue_struct *queue);

共享队列

如果我们只是偶尔需要向队列中提交任务，则可以使用内核提供的共享的默认工作队列。

使用共享队列时需要注意：我们是与他人共享的，因此不能长时间占用该队列；而且我们的任务可能需要更长时间才能被执行。

共享队列使用起来也非常简单，相关的API如下：

int schedule_work(struct work_struct *work);
int schedule_delayed_work(struct work_struct *work, unsigned long delay);
void flush_scheduled_work(void);

schedule_work 不做任何延迟，立即开始调度。

schedule_delayed_work 可以指定延迟时间。

flush_scheduled_work 清空共享队列中的所有工作任务。

13. 时间操作（二）