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Modern Embedded Recipes · 73/152

Timer Wheel 분석 — Hashed·Hierarchical·O(1) Tick

· Hawk · 5분 읽기

#한 줄 요약

**“Timer Wheel은 O(1) tick, O(1) add·cancel”**입니다. 수천 timer에도 상수 시간을 유지합니다.

#Naive — Sorted List

struct timer { uint32_t expiry; struct timer *next; };
struct timer *head;
void add_timer(struct timer *t, uint32_t ms) {
t->expiry = now() + ms;
insert_sorted(&head, t); /* O(N) */
}
void tick(void) {
while (head && head->expiry <= now()) {
head->callback();
head = head->next;
}
}

Tick은 O(K)이고 여기서 K는 expired count입니다. Add는 O(N)입니다.

→ N=1000 timer 시 add마다 1000번의 cmp가 발생합니다. 그래서 high freq use에 부적합합니다.

#Min-Heap

struct timer heap[N]; /* min-heap by expiry */
void add(struct timer *t) {
heap_push(heap, t); /* O(log N) */
}
void tick(void) {
while (heap[0].expiry <= now()) {
heap[0].callback();
heap_pop(heap);
}
}

add 비용은 O(log N)입니다. Linux hrtimer는 red-black tree를 쓰며 비슷한 효율을 보입니다.

#Hashed Timer Wheel — Varghese·Lauck 1987

#define WHEEL_SIZE 256
struct slot {
struct timer *head;
};
struct wheel {
struct slot slots[WHEEL_SIZE];
uint32_t current_tick;
} g_wheel;
void add_timer(struct timer *t, uint32_t ms) {
uint32_t expiry = g_wheel.current_tick + ms;
uint32_t slot = expiry % WHEEL_SIZE;
t->expiry = expiry;
t->next = g_wheel.slots[slot].head;
g_wheel.slots[slot].head = t;
}
void tick(void) {
uint32_t slot = g_wheel.current_tick % WHEEL_SIZE;
struct timer *t = g_wheel.slots[slot].head;
g_wheel.slots[slot].head = NULL;
while (t) {
struct timer *next = t->next;
if (t->expiry == g_wheel.current_tick) {
t->callback();
} else {
/* Wrapped — re-add */
uint32_t new_slot = t->expiry % WHEEL_SIZE;
t->next = g_wheel.slots[new_slot].head;
g_wheel.slots[new_slot].head = t;
}
t = next;
}
g_wheel.current_tick++;
}

**Add는 O(1), Tick은 O(K)**입니다(K는 current slot의 timer 수).

⚠️ Wheel 한 바퀴(256 tick)를 초과하는 timer는 slot 충돌이 발생하므로 re-add로 처리합니다.

#Hierarchical Wheel — Linux jiffies

4-level wheel:

Level단위슬롯범위
08 ms2560-2 sec
1256 ms2560-65 sec
216 sec2560-1 hour
3~1 hour256~10 day

Add:

  • 가까운 expiry → level 0
  • 먼 expiry → 높은 level

Tick (level 0 8ms):

  • level 0 slot 처리
  • 256 tick마다 → level 1의 slot 1개 spread to level 0
  • 즉 level 1→0 cascade

O(1) add + O(1) tick에 가끔 cascade가 들어갑니다. Linux kernel 5.0까지 jiffies로 사용했고, 5.0+에서는 hash-only로 바뀌었습니다(no cascade).

#Linux New Hashed Wheel (HRtimer 아닌 timer_list)

9 level, 각 64 slot:
level 0: 1ms × 64
level 1: 64ms × 64
level 2: 4s × 64
...
Cascade 없음 — 각 level 직접 expiry 처리
Tick O(1) + occasional level 0 process

Linux 4.8+에서는 cascade를 제거했습니다. 그래서 더 단순하고 예측 가능합니다.

#DPDK Timer

struct rte_timer t;
rte_timer_init(&t);
rte_timer_reset(&t, 1000000 /* hz */, PERIODICAL, lcore_id, callback, arg);

DPDK는 skiplist 기반입니다. add와 tick 모두 O(log N)입니다.

#정확도 vs 효율

Timer wheel 정확도 = tick frequency

  • 1 ms tick → 1 ms 해상도
  • 10 µs tick → 10 µs 해상도, but tick 비용 ↑

Tickless idle — sleep 중 expiry까지 hardware timer set

  • tick freq 의미 적음
  • 다음 expiry == hardware timer

Modern Linux와 FreeRTOS는 tickless입니다.

#STM32 — Hardware Timer Compare

/* TIM2 — compare 4 channel */
HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
TIM2->CCR1 = expiry_ticks; /* trigger at expiry */
void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(...) {
timer_at_expiry_handler();
}

여러 compare channel로 여러 timer를 동시에 운용할 수 있습니다. Hardware 자체가 정확합니다.

#ESP32 — esp_timer (One-shot·Periodic)

esp_timer_handle_t timer;
esp_timer_create_args_t args = {
.callback = &my_callback,
.arg = data,
.name = "mytimer",
};
esp_timer_create(&args, &timer);
esp_timer_start_once(timer, 1000000); /* 1 sec */
esp_timer_start_periodic(timer, 500000); /* 500 ms */

내부는 high-resolution timer + sorted list로 구성되어 있습니다. 1 µs 정확도를 보장합니다.

#FreeRTOS Software Timer Wheel?

FreeRTOS의 xTimer 내부:

  • Sorted list (linked, by expiry)
  • Daemon task로 처리
  • O(N) add — 적은 timer엔 OK

Modern Linux의 wheel과는 다릅니다. 임베디드에서는 timer 수가 적어 수용 가능합니다.

#Hierarchical Wheel — Software 구현

#define LVL0_SLOTS 64
#define LVL1_SLOTS 64
#define LVL_BITS 6 /* log2(64) */
struct level {
struct list_head slots[64];
uint32_t current;
};
struct hwheel {
struct level levels[4];
uint64_t time;
};
void add(uint64_t expiry) {
uint64_t delta = expiry - hwheel.time;
int level;
if (delta < 64) level = 0;
else if (delta < 64*64) level = 1;
else if (delta < 64*64*64) level = 2;
else level = 3;
int slot = (expiry >> (level * LVL_BITS)) & 63;
list_add(&hwheel.levels[level].slots[slot], ...);
}
void tick(void) {
hwheel.time++;
int l0 = hwheel.time & 63;
expire_all(&hwheel.levels[0].slots[l0]);
if (l0 == 0) {
cascade(1); /* level 1 → 0 */
...
}
}

각 level에서 expiry bit pattern으로 slot을 결정합니다. Cascade를 통해 expiry가 임박하면 lower level로 이동합니다.

#TCP Timeout — Wheel 사례

Linux kernel TCP는 connection 수만큼 timer가 발생한다.

  • 각 socket: retransmit·delack·keepalive·… 4+ timer
  • 1 M connection × 4 = 4 M timer
  • Sorted list 불가능 → wheel 필수

Linux kernel은 hashed wheel을 쓰고 cascade는 없습니다(4.8+).

#자주 하는 실수

⚠️ Naive sorted list로 1000+ timer를 처리합니다

add_timer(t, expiry); /* O(N) — 1000 timer 시 1 µs+ per add */

→ wheel 또는 min-heap을 씁니다.

⚠️ Wheel 1 cycle을 초과하는 timer를 처리합니다

WHEEL_SIZE = 256
add(timer, expiry = current + 1000); /* ← slot 996 = (current+1000) % 256 = same slot of current+232? */

→ hierarchical wheel 또는 re-add on wrap을 적용합니다.

⚠️ Tick frequency가 너무 높습니다

configTICK_RATE_HZ = 10000; /* 100 µs tick — overhead 큼 */

→ tickless idle 또는 hardware compare를 활용합니다.

⚠️ Cancel을 자주 하면 list scan이 발생합니다

cancel_timer(t); /* O(N) — list search */

→ doubly-linked list로 O(1) remove를 보장합니다.

#정리

  • Naive list는 O(N) add, Min-heap은 O(log N), **Wheel은 O(1)**입니다.
  • Hashed wheel은 slot collision에서 wrap이 발생합니다.
  • Hierarchical wheel은 multi-level + cascade 구조입니다.
  • Linux 4.8+는 hashed no-cascade 방식입니다.
  • STM32 hardware timer compare는 진정한 hardware 동작입니다.
  • Tickless idle은 다음 expiry까지 sleep합니다.

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Modern Embedded Recipes · 74 of 152

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  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
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  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
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  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
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  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
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