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Linux内核多核定时器机制的优化

2026-01-30 10:10:20

Linux内核多核定时器机制的优化

大家好，我是情报小哥~

1、早期多核定时器中断机制

在Linux早期多核支持阶段，存在一种主核（boot CPU）通过定时器中断来通知从核（其他CPU）的方式。这种方式主要用于多核间的通信和任务调度。

采用的方法之一是使用IPI（中断处理器间中断）进行核间通信。主核通过定时器中断来触发IPI，从而通知从核进行相应的处理。

大概是这样一个步骤：

主核初始化一个定时器，设置定时器中断处理函数。

在定时器中断处理函数中，主核向从核发送IPI。

从核收到IPI后，执行相应的中断处理函数。

IPI（处理器间中断）

// 主核发送IPIvoidarch_send_call_function_ipi_mask(const struct cpumask *mask){    send_IPI_mask(mask, CALL_FUNCTION_VECTOR);}// 从核处理IPI__visible void __irq_entry smp_reschedule_interrupt(struct pt_regs *regs){    ack_APIC_irq();    scheduler_ipi();}

但是这样会存在一些问题,在早期SMP系统中，由于硬件限制和设计简化，可能只有一个全局的定时器，由主核（通常是CPU0）负责处理，然后通过IPI（处理器间中断）通知其他从核。这种方式存在以下问题：

可扩展性差：随着CPU数量增加，主核的负担加重。

延迟高：从核的时钟中断依赖于主核的定时器周期和IPI传递。

功耗问题：从核在空闲时可能仍然需要响应IPI，无法进入深度的休眠状态

2、完全去中心化架构

现代Linux内核采用了高度分布式的每CPU定时器架构，每个CPU都有独立的定时器管理和调度能力。这种设计显著提高了多核系统的性能和可扩展性。在系统启动时，每个CPU都会初始化自己的时钟事件设备。

Linux内核将定时器抽象为时钟事件设备，用struct clock_event_device表示。每个CPU都有自己的时钟事件设备，它负责在指定时间产生中断。

structclock_event_device {void                    (*event_handler)(struct clock_event_device *);int                     (*set_next_event)(unsignedlong evt, struct clock_event_device *);/* ... 其他字段 ... */unsignedlong           mult;unsignedlong           shift;    u64                     min_delta_ns;    u64                     max_delta_ns;constchar              *name;int                     rating;int                     irq;cpumask_t               cpumask;structlist_headlist;} ____cacheline_aligned;

在系统启动时，每个CPU都会初始化自己的时钟事件设备。每个CPU的时钟中断处理函数通常是tick_handle_periodic（对于周期性模式）或tick_handle_oneshot（对于单次触发模式）。在中断处理函数中，会调用update_process_times来更新进程时间、处理定时器软中断等。

// 周期性时钟中断处理函数voidtick_handle_periodic(struct clock_event_device *dev){// 获取当前CPU的编号int cpu = smp_processor_id();// 更新jiffies（全局时间）并处理时间更新    tick_periodic(cpu);// 如果该时钟事件设备是周期性的，则重新设置下一次中断if (dev->mode == CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC)        dev->set_next_event(dev->next_event, dev);}// 在tick_periodic中，会调用update_process_timesvoidupdate_process_times(int user_tick){structtask_struct *p = current;// 更新进程运行时间    account_process_tick(p, user_tick);// 触发定时器软中断    run_local_timers();    rcu_check_callbacks(cpu, user_tick);// 调度器tick    scheduler_tick();// 计算负载等    calc_global_load();}

每个CPU通过自己的定时器中断触发调度器tick，从而进行进程调度、负载均衡等操作。

voidscheduler_tick(void){int cpu = smp_processor_id();structrq *rq = cpu_rq(cpu);structtask_struct *curr = rq->curr;// 更新运行时间    update_rq_clock(rq);    curr->sched_class->task_tick(rq, curr, 0);// 触发负载均衡，但通常不是每个tick都进行，而是间隔进行    trigger_load_balance(rq);}