Linux核心几个重要跟时间有关的名词或变数,底下将介绍HZ、tick与jiffies。
(1)HZ
Linux核心每隔固定周期会发出timer interrupt (IRQ 0),HZ是用来定义每一秒有几次timer interrupts。举例来说,HZ为1000,代表每秒有1000次timer interrupts。 HZ可在编译核心时设定,具体查询设定方法可参见上篇文章《linux运行多久了》。其中HZ可设定100、250、300或1000。以核心版本预设值为250,做实验:
观察/proc/interrupt的timer中断次数,并于一秒后再次观察其值。理论上,两者应该相差250左右。
adrian@adrian-desktop:~$ cat /proc/interrupts|grep timer && sleep 1 && cat /proc/interrupts|grep timer
0: 9309306 IO-APIC-edge timer
0: 9309562 IO-APIC-edge timer
补充结果:以上结果是单CPU上运行,在我自己的双核电脑上并没有得到预计结果,怀疑是否适合双核电脑实验。
(2)Tick
Tick是HZ的倒数,意即timer interrupt每发生一次中断的时间。如HZ为250时,tick为4毫秒(millisecond)。
(3)全局变量xtime
xtime是timeval数据结构变量,首先看timeval结构
struct timeval
{
time_t tv_sec; /***second***/
susecond_t tv_usec;/***microsecond***/
}
1秒=1000毫秒(3个零),1秒=1000 000微秒(6个零),1秒=1000 000 000纳秒(9个零),1秒=1000 000 000 000皮秒(12个零)。秒用s表现,毫秒用ms,微秒用us表示,纳秒用ns表示,皮秒用ps表示,他们的分级单位是千,即每次3个零。所以microsecond是表示us。
xtime是从cmos电路中取得的时间,一般是从某一历史时刻开始到现在的时间,也就是为了取得我们操作系统上显示的日期。这个就是所谓的“实时时钟”,它的精确度是微秒。
(4)Jiffies
在<linux/jiffies.h>,定义了Jiffies为Linux核心变数(32位元变数,unsigned long),它被用来纪录系统自开机以来,已经过多少的tick,在linux内核中jiffies远比xtime重要。每发生一次timer interrupt,Jiffies变数会被加一。jiffies 与绝对时间之间的转换,用两个宏来完成两种时间单位的互换:JIFFIES_TO_NS()、NS_TO_JIFFIES()。
硬件给内核提供一个系统定时器用以计算和管理时间,值得注意的是,Jiffies于系统开机时,并非初始化成零,而是被设为-300*HZ (kernel/time.c),即代表系统于开机五分钟后,jiffies便会溢位。那溢位怎么办?事实上,Linux核心定义几个macro(timer_after(unknown, known)、time_after_eq(unknown, known)、time_before(unknown, known)与time_before_eq(unknown, known)),即便是溢位,也能藉由这几个macro正确地取得jiffies的内容。
可以利用jiffies设置超时等,譬如:
unsigned long timeout = jiffies + tick_rate * 2; // 2秒钟后超时,比如tick_rate=250,经过500次的tick中断,2S就过了
if(time_before(jiffies, timeout)
{
// 还没有超时
}
else
{
// 已经超时
}
另外,80x86架构定义一个与jiffies相关的变数jiffies_64 ,此变数64位元,要等到此变数溢位可能要好几百万年。因此要等到溢位这刻发生应该很难吧。那如何经由jiffies_64取得jiffies资讯呢?事实上,jiffies被对应至jiffies_64最低的32位元。因此,经由jiffies_64可以完全不理会溢位的问题便能取得jiffies。
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关于jiffies值得一提的两点
先看看它的定义:
Cpp代码
volatile unsigned long __jiffies;
只谈两点。
1、它用了一个C语言里比较罕见的关键字volatile,这个关键字用于解决并发问题。C语言编译器很喜欢做优化的,它不清楚某个变量可能会被并发的修改,例如上面的jiffies变量首先是0,如果首先一个CPU修改了它的值为1,紧接着另一个CPU在读它的值,例如 __jiffies = 0; while (__jiffies == 1),那么在内核的C代码中,如果不加volatile字段,那么第二个CPU里的循环体可能不会被执行到,因为C编译器在对代码做优化时,生成的汇编代码不一定每次都会去读内存!它会根据代码把变量__jiffies设为0,并一直使用下去!而加了volatile字段后,就会要求编译器,每次使用到__jiffies时,都要到内存里真实的读取这个值。
2、它的类型是unsigned long,在32位系统中,最大值也只有43亿不到,从系统启动后49天就到达最大值了,之后就会清0重新开始。那么jiffies达到最大值时的回转问题是怎么解决的呢?或者换句话说,我们需要保证当jiffies回转为一个小的正数时,例如1,要比几十秒毫秒前的大正数大,例如4294967290,要达到jiffies(1)>jiffies(4294967290)这种效果。
内核是通过定义了两个宏来解决的:
Cpp代码
#define time_after(a,b) \
(typecheck(unsigned long, a) && \
typecheck(unsigned long, b) && \
((long)(b) - (long)(a) < 0))
#define time_before(a,b) time_after(b,a)
很巧妙的设计!仅仅把unsigned long转为long类型后相减比较,就达到了jiffies(1)>jiffies(4294967290)效果,简单的解决了jiffies的回转问题。
#define typecheck(type, x) \
({ type __dummy;\
typeof(x) __dummy2; \
(void)(&__dummy == &__dummy2); \
1; \
})
typecheck宏有两个参数,
第一个是一个类型,比如unsigned long,
第二个是一个变量,比如a。
它生成一个unsigned long类型的变量__dummy,
然后利用typeof生成和a同样类型的变量__dummy2,
比较__dummy和__dummy2的地址。
如果它们不是同样类型的指针比较,比如a不是unsigned long,
这时候编译器会有一个警告,让你注意到这个问题。-Wall选项时编译直接报错。
它返回1。
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(5)除了系统定时器jiffies外,还有一个与时间有关的时钟:实时时钟(RTC),这是一个硬件时钟,用来持久存放系统时间,系统关闭后靠主板上的微型电池保持计时。系统启动时,内核通过读取RTC来初始化Wall Time,并存放在xtime变量中,这是RTC最主要的作用。