hrtimer

전체 흐름

hrtimer는 타이머를 CPU별 시계 기준의 큐에 놓는 작업과, 만료된 타이머의 콜백을 실행하는 작업을 나눠서 읽어야 한다. 고해상도 모드에서는 clockevent 인터럽트가 만료 검사를 시작한다. 저해상도 모드의 주기적 검사 경로는 별도다.

소스 코드 위치와 범위

이 글은 Linux v6.18.37의 kernel/time/hrtimer.c에 있는 등록, 만료 처리, 다음 clockevent 계산을 대조한다. 아래 세 발췌는 보관된 해당 버전 원문에서 줄 번호와 내용을 그대로 옮겼다. 발췌 일치는 보관 소스 기준이며 실제 장비의 지연이나 런타임 동작을 측정한 결과는 아니다. 다른 버전의 같은 함수 이름만으로 흐름을 일반화하지 않는다.

• kernel/time/hrtimer.c · 구현과 아래 발췌
• include/linux/hrtimer.h · 구조체와 모드 정의
• kernel/time/timer.c · 일반 타이머와 비교할 때만 참고

대표 코드: 세 경계

	was_armed = remove_hrtimer(timer, base, true, force_local);

	if (mode & HRTIMER_MODE_REL)
		tim = ktime_add_safe(tim, __hrtimer_cb_get_time(base->clockid));

	tim = hrtimer_update_lowres(timer, tim, mode);

	hrtimer_set_expires_range_ns(timer, tim, delta_ns);

	/* Switch the timer base, if necessary: */
	if (!force_local) {
		new_base = switch_hrtimer_base(timer, base,
					       mode & HRTIMER_MODE_PINNED);
	} else {
		new_base = base;
	}

	first = enqueue_hrtimer(timer, new_base, mode, was_armed);

	/*
	 * If the hrtimer interrupt is running, then it will reevaluate the
	 * clock bases and reprogram the clock event device.
	 */
	if (new_base->cpu_base->in_hrtirq)
		return false;

	if (!force_local) {
		/*
		 * If the current CPU base is online, then the timer is
		 * never queued on a remote CPU if it would be the first
		 * expiring timer there.
		 */
		if (hrtimer_base_is_online(this_cpu_base))
			return first;

static void __hrtimer_run_queues(struct hrtimer_cpu_base *cpu_base, ktime_t now,
				 unsigned long flags, unsigned int active_mask)
{
	struct hrtimer_clock_base *base;
	unsigned int active = cpu_base->active_bases & active_mask;

	for_each_active_base(base, cpu_base, active) {
		struct timerqueue_node *node;
		ktime_t basenow;

		basenow = ktime_add(now, base->offset);

		while ((node = timerqueue_getnext(&base->active))) {
			struct hrtimer *timer;

			timer = container_of(node, struct hrtimer, node);

			/*
			 * The immediate goal for using the softexpires is
			 * minimizing wakeups, not running timers at the
			 * earliest interrupt after their soft expiration.
			 * This allows us to avoid using a Priority Search
			 * Tree, which can answer a stabbing query for
			 * overlapping intervals and instead use the simple
			 * BST we already have.
			 * We don't add extra wakeups by delaying timers that
			 * are right-of a not yet expired timer, because that
			 * timer will have to trigger a wakeup anyway.
			 */
			if (basenow < hrtimer_get_softexpires_tv64(timer))
				break;

			__run_hrtimer(cpu_base, base, timer, &basenow, flags);
			if (active_mask == HRTIMER_ACTIVE_SOFT)
				hrtimer_sync_wait_running(cpu_base, flags);
		}
	}
}

	cpu_base->expires_next = KTIME_MAX;

	if (!ktime_before(now, cpu_base->softirq_expires_next)) {
		cpu_base->softirq_expires_next = KTIME_MAX;
		cpu_base->softirq_activated = 1;
		raise_timer_softirq(HRTIMER_SOFTIRQ);
	}

	__hrtimer_run_queues(cpu_base, now, flags, HRTIMER_ACTIVE_HARD);

	/* Reevaluate the clock bases for the [soft] next expiry */
	expires_next = hrtimer_update_next_event(cpu_base);
	/*
	 * Store the new expiry value so the migration code can verify
	 * against it.
	 */
	cpu_base->expires_next = expires_next;
	cpu_base->in_hrtirq = 0;
	raw_spin_unlock_irqrestore(&cpu_base->lock, flags);

	/* Reprogramming necessary ? */
	if (!tick_program_event(expires_next, 0)) {
		cpu_base->hang_detected = 0;
		return;
	}

함수별 분석

등록 함수와 실행 함수는 연달아 호출되는 단일 체인이 아니다. 콜백의 재시작은 만료 처리 도중 일어날 수 있지만, 일반적인 등록 호출은 큐에 미래 사건을 놓고 돌아온다.

구조체와 만료 시각

hrtimer_cpu_base는 CPU별 큐와 잠금을 담고, 그 안의 hrtimer_clock_base들이 시계 기준별 활성 큐를 가진다. 개별 hrtimer는 큐 노드와 콜백 함수를 가진다. 필드가 순서대로 함수를 호출하는 관계는 아니다.

만료 처리와 콜백의 분기

고해상도 모드에서 clockevent IRQ가 왔을 때 HARD 타이머는 IRQ 경로에서 검사한다. SOFT 타이머의 만료가 감지되면 softirq를 깨우며 실제 SOFT 큐 실행은 hrtimer_run_softirq(1853–1869행) 경로다. 비 RT 설정의 기본 타이머는 HARD이며, PREEMPT_RT에서는 HARD를 명시하지 않은 타이머가 SOFT 만료로 이동한다(1620–1645행).

읽을 때 지켜야 할 경계

계측과 검증

tracefs에 실제로 있는 timer 이벤트를 확인한 뒤 필요한 것만 짧게 켠다. 이벤트 하나가 찍혔다고 콜백 완료나 장치 재설정을 단정하지 말고 start, expire entry/exit와 코드상 상태를 대응시킨다.

(
cd /sys/kernel/tracing || exit 1
command -v timeout >/dev/null || exit 1
start=events/timer/hrtimer_start/enable
expire=events/timer/hrtimer_expire_entry/enable
start_before=$(cat "$start") || exit 1
expire_before=$(cat "$expire") || exit 1
restore() {
  printf '%s\n' "$start_before" > "$start"
  printf '%s\n' "$expire_before" > "$expire"
}
trap restore EXIT
trap 'exit 130' INT
trap 'exit 143' TERM
printf '1\n' > "$start" || exit 1
printf '1\n' > "$expire" || exit 1
timeout 5 cat trace_pipe
)

쓰기 권한과 tracefs 마운트가 필요하다. 다른 계측 작업과 같은 tracefs 설정·버퍼를 공유하지 않는 환경에서만 실행한다. trace_pipe는 읽은 레코드를 소비하며, 강제 종료(SIGKILL) 때는 trap도 실행되지 않으므로 저장한 설정을 별도로 복원해야 한다. 이 예시는 장비에서 실행 검증하지 않았다.

코드에서 다시 확인할 질문

• 이미 큐에 있던 타이머를 다시 등록할 때 force_local과 first는 각각 무엇을 바꾸는가?
• 20–25 ms slack 예시에서 soft 만료와 다음 clockevent의 기준은 왜 서로 다른가?
• IRQ가 SOFT 만료를 발견한 시점과 SOFT 콜백이 실제 실행된 시점은 어떻게 구별할 수 있는가?
• 콜백의 HRTIMER_RESTART와 다른 CPU의 동시 enqueue가 만날 때 중복 등록을 어떤 조건이 막는가?