lwip协议栈中超时定时器实现原理

1，超时定时器存在的目的：

tcpip协议中存在很多需要定时处理的任务，包括一次性超时处理和周期性超时处理。

以tcp传输为例，每条连接总共需要建立七个定时器，依次为：

1）“连接建立”定时器。

如果建立连接启动后75秒内没收到响应，则中止建立。

2）“重传”定时器

在tcp发送某个数据段时设定，如果定时器超时了还没接收到对端的确认，则重传数据段。重传定时器值是动态计算的，与 RTT的估算密切相关，且还取决于该报文已被重传的次数。

3）“延迟ACK”定时器

tcp收到必须确认但无需马上发出确认的数据时设定，如果在200ms内，有数据要在该连接上发送，延迟的ACK随数据一并发送会对端，若200ms后仍未发出，则定时器超时，此时需要发送一个立即确认。

4）“持续”定时器

在连接对端通知接收窗口为0（缓存无足够空间），阻止发送端继续发送数据时设定。发送端停止发送数据，启动持续定时器，超时后向对端发送1字节的数据，判断对端接收窗是否已打开。

5）“保活”定时器

定时器在tcp控制块的so_options字段设置了SOF_KEEPALIVE选项时生效。如果连接的空闲时间超过2小时，保活定时器超时，此时向对端发送连接探测报文，强迫对端响应。如果收到响应，tcp可确认对端主机工作正常，如果收到RST复位响应，可确认对端主机已重启，如果连续若干次保活测试都未收到响应，则tcp假定对端主机已崩溃，但无法区分是主机故障还是线路故障。

6）“FIN_WAIT_2”定时器

7）“TIME_WAIT”定时器（也称2MSL定时器）

2，lwip中超时定时器设计架构：

这里不讨论各个定时器与tcp协议有关的超时如何处理，只讲超时定时器本身的设计。

在lwip中，超时定时器代码实现在 src/core/timers.c中

超时定时器是按链表的形式进行组织的，并且按时间长短进行排序，时间最短的永远在最前面。定时器使用结构体struct sys_timeo进行定义，结构体定义如下：

struct sys_timeo {

struct sys_timeo *next; //指向下一个定时器

u32_t time; //定时值（ms），在加入链表时这个值会进行调整

sys_timeout_handler h; //定时器回调函数

void *arg; //回调函数传入参数

#if LWIP_DEBUG_TIMERNAMES

const char* handler_name; //回调函数名称，调试用

#endif /* LWIP_DEBUG_TIMERNAMES */

};

添加超时定时器，函数如下：

void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler handler, void *arg)

{

struct sys_timeo *timeout, *t;

/* 每个定时器都从对应的内存池中分配数据结构 */

timeout = (struct sys_timeo *)memp_malloc(MEMP_SYS_TIMEOUT);

if (timeout == NULL) {

LWIP_ASSERT("sys_timeout: timeout != NULL, pool MEMP_SYS_TIMEOUT is empty", timeout != NULL);

return;

}

timeout->next = NULL;

timeout->h = handler;

timeout->arg = arg;

timeout->time = msecs;

#if LWIP_DEBUG_TIMERNAMES

timeout->handler_name = handler_name;

LWIP_DEBUGF(TIMERS_DEBUG, ("sys_timeout: %p msecs=%"U32_F" handler=%s arg=%p\n",

(void *)timeout, msecs, handler_name, (void *)arg));

#endif /* LWIP_DEBUG_TIMERNAMES */

/* 如果创建的是第一个定时器，则不用特殊处理，next_timeout是一个全局指针，指向定时器链表中第一个定时器 */

if (next_timeout == NULL) {

next_timeout = timeout;

return;

}

/* 从第二个定时器开始就要添加到链表中，添加原则是定时最短的定时器始终在前面，如果新添加的定时器时长小于当前链首

定时器，则新添加的定时器成为链首，旧的链首定时器的定时值要减去新链首定时器定时值，这样旧定时器时长不变，如果新

添加的定时器大于等于当前链首定时器的时长，则要在整个链表里逐个比较，最终将其插入到比其短的定时器之后，比其长的

定时器之前，当然其后定时器的定时值也要进行调整，其前的定时器无需调整 */

if (next_timeout->time > msecs) {

next_timeout->time -= msecs;

timeout->next = next_timeout;

next_timeout = timeout;

} else {

for(t = next_timeout; t != NULL; t = t->next) {

timeout->time -= t->time;

if (t->next == NULL || t->next->time > timeout->time) {

if (t->next != NULL) {

t->next->time -= timeout->time;

}

timeout->next = t->next;

t->next = timeout;

break;

}

链表中定时器总是按时长升序进行排列，其定时值调整算法为：

Timer(x). time = Timer(x-1).time + Timer(x-2).time + ......
假如有4个定时器，如下：

Timer1.time = 10

Timer2.time = 5

Timer3.time = 20

Timer4time = 10

按1-4顺序都添加到链表中后，定时器值如下：

Timer1.time = 5

Timer2.time = 5

Timer3.time = 10

Timer4.time = 0

链接关系变为：

Timer2.next = Timer1

Timer1.next = Timer4

Timer4.next = Timer3

Timer3.next = NULL

此时，全局指针变量next_timeout指向Timer2。

3，lwip中超时定时器应用：

不管是否有os支持，超时定时器都可以使用。lwip中如下两个函数可以实现对超时的处理：

void sys_check_timeouts(void)

裸机应用程序在外部周期性调用该函数，每次进来检查定时器链表上定时最短的定时器是否到期，如果没有到期，直接退出该函数，否则，执行该定时器回调函数，并从链表上删除该定时器，然后继续检查下一个定时器，直到没有一个定时器到期退出

void sys_timeouts_mbox_fetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg)

这个函数可在os线程中循环调用，主要是等待mbox消息，并可阻塞，如果等待mbox时超时，则会同时执行超时事件处理，即调用定时器回调函数，如果一直没有mbox消息，则会永久性地循环将所有超时定时器检查一遍，一举两得。

lwip中tcpip线程就是靠这种方法，即处理了上层及底层的mbox消息，同时处理了所有需要定时处理的事件。

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