05 · 定时器：hard / soft 分流与 expiry_lock

结论：非 RT 内核所有 hrtimer 回调都在时钟中断的 hardirq 上下文执行，timer wheel 回调在 TIMER_SOFTIRQ 里执行；任何慢回调直接推迟所有任务。RT 内核在 hrtimer_init() 里把没有显式标记 HRTIMER_MODE_HARD 的 hrtimer 一律改成 soft 模式，在 HRTIMER_SOFTIRQ（线程上下文）里到期；只有调度 tick、RT/DL 任务的 sleeper 等保留 hard 模式。为了取消正在运行的回调时不自旋等一个可能被抢占的 softirq 线程，RT 给 hrtimer_cpu_base 和 timer_base 各加了一把 expiry_lock，hrtimer_cancel()/timer_delete_sync() 在 RT 上会睡眠。

第一层

先看结论：RT 只让显式 HARD 的定时器留在 hardirq，其余全部进 softirq 线程；RT 任务自己的睡眠唤醒仍走 hardirq，精度不受影响。

非 RThrtimer 全在 hardirq，timer wheel 在 softirq

同一场景 · 换成 PREEMPT_RT 内核

PREEMPT_RT只有 HARD 留在 hardirq，其余进线程

第二层

先看结论：分流发生在 hrtimer_init()；取消正在运行的回调改为在 expiry_lock 上睡眠，避免自旋等一个被抢占的 softirq 线程。

非 RThrtimer_interrupt → __run_hrtimer；tick → TIMER_SOFTIRQ

同一场景 · 换成 PREEMPT_RT 内核

PREEMPT_RTsoft/hard 分流、expiry_lock、sleeper 自动 HARD

中心规则

kernel/time/hrtimer.c:1616-1623：

/*
 * On PREEMPT_RT enabled kernels hrtimers which are not explicitly
 * marked for hard interrupt expiry mode are moved into soft
 * interrupt context for latency reasons and because the callbacks
 * can invoke functions which might sleep on RT, e.g. spin_lock().
 */
if (IS_ENABLED(CONFIG_PREEMPT_RT) && !(mode & HRTIMER_MODE_HARD))
    softtimer = true;

soft base 是 clock base 数组的上半部分（:1637-1640）。hrtimer_start_range_ns() 在 RT 上检查的是 HRTIMER_MODE_HARD 与 timer->is_hard 的一致性而非 SOFT（:1332-1340）。6.12.107 只有 hrtimer_init()（:1657-1663），hrtimer_setup() 是后来的 API。

谁还留在 hardirq

• 调度 tick、sched_deadline 等核心显式 *_HARD。
• RT/DL 任务的 sleeper（nanosleep、clock_nanosleep、futex 超时）：__hrtimer_init_sleeper()（:2019-2044）在 RT 上对 rt_or_dl_task_policy(current) 的任务加 HRTIMER_MODE_HARD。注释（:2022-2039）解释了为什么普通任务不这样做：不可信的用户态可以让上千线程在同一时刻到期，hardirq 里唤醒「一堆」线程会造成延迟尖峰。
• 因此 RT 应用的周期唤醒不经过 softirq 线程，精度与非 RT 相当甚至更稳。

到期路径

hrtimer_interrupt()（:1849-1879）：soft 到期时间到了就 raise_softirq_irqoff(HRTIMER_SOFTIRQ)（:1873-1877），随后只跑 HRTIMER_ACTIVE_HARD（:1879）。hrtimer_run_softirq()（:1824-1841）持 softirq_expiry_lock 跑 HRTIMER_ACTIVE_SOFT；__hrtimer_run_queues() 每跑完一个 soft 回调调用 hrtimer_sync_wait_running()（:1817-1819），给等待取消的任务让路。

expiry_lock：取消时不再自旋

:1440-1455 的注释是 RT 定时器设计的核心：在 RT 上，hrtimer_try_to_cancel() 因回调正在运行而失败时，如果调用者在别的 CPU 自旋等待，会产生无界优先级反转；如果调用者就是抢占了回调的那个任务，自旋永远不会结束。所以 hrtimer_cancel_wait_running()（:1456-1480）对 soft 定时器改为 spin_lock_bh(&base->cpu_base->softirq_expiry_lock) 睡眠等待（享受 PI，把 softirq 线程提上来），hard 定时器仍 cpu_relax()。

kernel/time/timer.c 完全同构：timer_base 增加 expiry_lock 与 timer_waiters（:254-256），del_timer_wait_running()（:1586-1607）睡眠等待（TIMER_IRQSAFE 定时器例外），__timer_delete_sync() 在 RT 上要求可抢占上下文（:1660-1665）——timer_delete_sync() 在 RT 上可能睡眠，不能在 raw 临界区调用。expire_timers()（:1839-1850）非 IRQSAFE 回调开中断执行并在每个回调后 timer_sync_wait_running()。

6.12.107 没有的东西

• ktimerd/timersd/raise_ktimers_thread：全树无匹配。TIMER_SOFTIRQ 仍由 ksoftirqd / bh_enable 路径处理（timer.c:2447 run_timer_softirq()）。
• kernel/time/ 没有 local_lock 用户。
• POSIX CPU 定时器经 task_work 到期（posix-cpu-timers.c:1272-1274）是 POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK 的通用行为（kernel/time/Kconfig:56-58，x86/arm64 默认开），不是 RT 专属；RT 分支只是处理「收集到期定时器时 tick 仍可能发生」（:1287-1300）。

ARM64：arch timer

• 时钟源 arch_sys_counter（drivers/clocksource/arm_arch_timer.c:252-256，rating 400，CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS）——没有 x86 tsc=reliable 那类稳定性开关，也不需要。
• 每 CPU 的 timer PPI 用 request_percpu_irq() 注册（:1251-1269），percpu-devid 中断不参与强制线程化，所以 hrtimer 的 hard 到期路径在 arm64 RT 上仍是真正的 hardirq；驱动里没有任何 CONFIG_PREEMPT_RT 分支。
• 事件流（evtstrm，:97-103, 915-981）让 WFE 等待有周期性唤醒，与 RT 无冲突。
• arch/arm64/Kconfig:237 select HAVE_POSIX_CPU_TIMERS_TASK_WORK——POSIX CPU 定时器在 arm64 默认走 task_work 到期。
• 伪 NMI 开启时 arch timer 中断仍是普通 IRQ（不是 NMI），到期路径不变。
• 网络 TSN 调度器 taprio 的 hrtimer 是 HRTIMER_MODE_ABS（无 HARD 标记，net/sched/sch_taprio.c:1953），RT 下按本章规则进 softirq——软件门控精度下降，见第 04 章。

性能影响

净影响：普通任务的定时器唤醒多一次线程切换；RT 任务不受影响；hrtimer_cancel/timer_delete_sync 在 RT 上可能睡眠。

源码定位

调优要点

• RT 应用用 clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME, …) 做周期循环：它走 HARD sleeper，避免累积漂移。
• skew_tick=1 错开各 CPU 的 tick，减少 hardirq 同时到期的排队；nohz_full 隔离 CPU 上 tick 本身就停了。
• 驱动作者：需要在 hardirq 到期的 hrtimer 必须显式 HRTIMER_MODE_*_HARD，且回调只能用 raw_spinlock_t；否则接受 softirq 到期语义。

小结

• 一条规则（hrtimer.c:1616-1623）决定分流；一条例外（:2041-2043）保住 RT 任务的唤醒精度。
• expiry_lock 把「等回调结束」从自旋改成带 PI 的睡眠，hrtimer 与 timer wheel 同构。
• 6.12.107 没有独立的 ktimerd 线程，TIMER_SOFTIRQ 仍走 ksoftirqd / bh_enable 路径。
• 承上启下：到这里，所有「在中断上下文跑的东西」都被搬进了线程；接下来两章处理由此产生的副作用——分配器与 per-CPU 数据失去了「关抢占」这层隐含保护。