第3章 時間的衡量和計算

我們的作息、行為和活動都與時間息息相關，從人類的角度來看，時間是以時分秒來計算和衡量的。例如，某一時刻做某件事情或某個任務持續了多久等情況，我們基本都以時分秒來計算。但內核中卻不是這樣，從內核的角度，它的時間以滴答（jiffy）來計算。滴答，通俗地講，是時間系統周期性地提醒內核某時間間隔已經過去的行為。另一方面，內核服務于用戶，所以它還需要擁有將滴答轉為時分秒的能力。因此，內核的任務就分為維護并響應滴答和告知用戶時間兩部分。

3.1 數據結構

我們從gettimeofday系統調用說起，它的功能是獲取當前時間，結果以timeval和timezone（時區）結構體的形式返回，timeval的tv_sec字段表示從Epoch（1970-01-01 00:00:00 UTC）到現在的秒數，tv_usec表示微秒。

內核先通過ktime_get_real_ts64獲得以timespec表示的當前時間，然后轉化為timeval形式，timespec64的tv_sec以秒為單位，tv_nsec以納秒為單位，實現過程展開如下。

以上代碼段中，第一個與時間相關的結構體為timekeeper（簡稱tk，稍后詳解），它的主要功能是保持或者記錄時間，從timekeeping_get_ns函數可以看到，tk的tkr_mono->clock字段指向clocksource類型的對象，表示當前使用的時鐘源。當前時間等于上次更新時的時間（xtime_nsec）加上從上次更新到此刻的時間間隔，時間間隔是通過時鐘源度過的時鐘周期（cycle_delta）計算得來的。各時鐘源的時鐘頻率不同，所以它們時鐘周期的時間單位就不同，內核需要擁有將設備時鐘周期數與納秒相互轉換的能力，mult和shift字段就是負責實現該需求的。請注意，“上次更新”是指內核更新時間，是“寫”動作，gettimeofday是“讀”動作，并不會導致xtime_nsec變化。

時鐘源以clocksource結構體（簡稱cs）表示，它是本章第二個核心的結構體，主要字段如表3-1所示。

flags字段有多種標志，前三種可以由時鐘設備的驅動設置，后幾種一般由內核控制，如表3-2所示。

rating字段代表cs的等級，內核只會選擇一個時鐘源作為watchdog（即看門狗），也只會選擇一個時鐘源作為系統的時鐘源（與全局變量tk_core.timekeeper對應），同等條件下，等級更高的時鐘源擁有更高的優先級。

內核會選擇一個不需要被監控的連續時鐘源作為看門狗，它負責在程序運行的時候監控其他的時鐘源，如果某一個時鐘源的誤差超過了可接受的范圍，那么，則將其置為CLOCK_SOURCE_UNSTABLE，并將其rate字段置為0。

時鐘源設備在初始化后可以調用clocksource_register_hz等函數完成注冊，內核會在所有時鐘源中選擇rating值最大的作為保持時間的時鐘源，用戶調用gettimeofday獲取當前時間時，就通過該時鐘源讀取時鐘周期數來計算得到結果。

我們通過內核得到了當前的時間，但內核基本不會關心時分秒，它的重心在于某個時間間隔已經過去這類事件；這就依賴于另一種設備了，它們可以實現定時器的功能，在設定的時間間隔過去之后產生中斷提醒內核。當然，有些設備既有保持時間的功能，又有定時器的功能。為方便讀者理解，本文以下將保持時間的設備稱為時鐘源，將關注時間事件的設備稱為時鐘中斷設備（或稱為時鐘事件設備，為了突出時鐘事件的本質）。

本章的另一個核心結構體clock_event_device（簡稱evt）就與內核這第二個需求相關，它的主要字段如表3-3所示。

set_state_xxx是切換當前設備狀態的回調函數，xxx可以有共有periodic、oneshot、oneshot_stopped和shutdown四種。其中，periodic表示周期性地觸發時鐘中斷，oneshot表示單觸發。所謂周期性是指觸發一次中斷之后自動進入下一次中斷計時，單觸發是指觸發一次中斷之后停止。rating字段表示設備的等級，等級越高優先級越高。最常用的設備特性（features字段）有PERIODIC、ONESHOT和C3STOP三種，其中C3STOP表示系統處于C3狀態的時候設備停止。

時鐘中斷產生后，內核會調用event_handler字段的回調函數處理中斷，該函數完成時鐘中斷相關的邏輯，還可以回調set_next_event設置下一次時鐘中斷。時鐘中斷對內核而言是必不可少的，內核對各模塊的時間控制基本都依賴它。

內核使用了幾個常見的變量和宏定義，具體如下。

HZ：一秒內的滴答數。現代內核并不一直采用周期性的滴答，硬件允許的情況下，更傾向于采用動態（非周期性）時鐘中斷，但HZ作為很多模塊衡量時間的基準被保留了下來。

jiffies：累計的滴答數。內核主要存在jiffy和ktime_t兩個時間單位，后者本質上就是納秒，內核對相關計算進行優化并提供了使用它的函數，因而產生了ktime_t。我們可以使用ktime_get獲得當前以ktime_t為單位的時間，使用ktime_to_ns和ns_to_ktime等完成轉換。

在涉及時鐘設備或者時鐘中斷設備的操作時，比如讀取時鐘周期數、設置下一個中斷等，會使用納秒為單位；如前文所述，設備數據結構中的mult和shift字段可以實現納秒與周期數的轉化。其余方面，除非需要跟蹤時間，基本都使用jiffy為單位。

tick_period：ktime_t類型的全局變量，周期性時鐘中斷的時間間隔。稍后會發現，即使采用動態時鐘中斷的系統，它在運行的某些階段依然可能周期性地觸發中斷。該變量就是為了計算周期性時鐘中斷的條件下，下一次中斷的觸發時間。

tick_cpu_device：每cpu變量，類型為tick_device，簡稱td。tick_device結構體的evtdev字段指向該cpu的evt，mode字段表示其工作模式，分為TICKDEV_MODE_PERIODIC和TICKDEV_MODE_ONESHOT兩種。

tick_cpu_sched：每cpu變量，類型為tick_sched，簡稱ts，它與系統調度和更新系統時間有關。

3.2 時鐘芯片

不同的架構或平臺使用的設備不一定相同，下面介紹幾個x86架構上常見的設備。

RTC（Real-timeClock）：實時時鐘，兼具時鐘源和時鐘中斷兩種功能，它可以為人們提供精確的實時時間，或者為電子系統提供精確的時間基準，目前絕大多數計算機上都會有它。RT C有一個特性，那就是系統關機以后依然處于工作狀態。就提供實時時間而言，RT C的準確度一般要比其他幾個設備高；就時鐘中斷而言，RT C只能產生周期信號，頻率變化范圍從2Hz到8192Hz，且必須是2的倍數，所以在現代計算機上它的第二個功能基本被其他設備取代。

PIT（Programmable interval timer）：可編程間隔計時器，時鐘中斷設備，頻率固定為1.193182MHz，所以在老式的系統中它也可以充當時鐘源的角色。PIT可滿足周期性和單觸發兩種時鐘中斷要求。

TSC（Time Stamp Counter）：時間戳計數器，是一個64位的寄存器，從奔騰處理器開始就存在于x86架構的處理器中。TSC記錄處理器的時鐘周期數，程序可以通過RDTSC指令來讀取它的值。采用TSC作為系統的時鐘源是有挑戰的，比如處理器降頻的時候，TSC如何保持固定頻率，不過在現代的x86處理器中，這些問題已經得到了解決。TSC以其高精度、低開銷的優勢成為優選。

HPET（High Precision Event Timer）：俗稱高精度定時器，兼具時鐘源和時鐘中斷兩種功能，它有一組定時器可以同時工作，數量從3到256個不等。每個定時器都可以滿足周期性和單觸發兩種時鐘中斷要求，可以代替PIT及RTC。

APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller）：高級可編程中斷控制器，用作時鐘中斷設備，單從名字看就比PIT高一個檔次。APIC的資料網絡上多如牛毛，這里不詳細闡述。每個cpu都有一個local（本地）APIC，這里的時間設備就是本地APIC的一部分。它的精度較高，可以滿足周期性和單觸發兩種時鐘中斷要求。

就cs而言，PIT、TSC和HPET的cs對象rating字段的默認值如表3-4所示（RTC并不在cs和evt的選項中）。

因為TSC的優先級最高，所以大多數計算機會采用TSC作為時鐘源。然而TSC的頻率是開機的時候計算得出的（見下），小的誤差在運行過程中會被放大，最終導致較明顯的時間偏差。RT C倒是可以很好地完成保持時間的任務，但它的頻率太低，精度不夠。

TSC對應的cs的flags字段有IS_CONTINUOUS和MUST_VERIFY兩個標記，所以它可以滿足CLOCK_SOURCE_VALID_FOR_HRES的要求，但不能作為系統的watchdog，而屬于會被watchdog監控的時鐘源。

就evt而言，PIT、HPET和APIC的evt對象的rating字段的默認值如表3-5所示。

3.3 從內核的角度看時間

內核維護了多種時間，其中最常用REALTIME、MONOTONIC和BOOTTIME三種。

REALTIME時間：又稱作WALLTIME（墻上時間），甚至可以稱為xtime時間或者系統時間，xtime在分析gettimeofday系統調用的時候已經出現過了，它就是根據cs的時鐘周期計算得出的時間。

需要注意的是，REALTIME時間和RTC時間并不是同一個概念。前者是內核維護的當前時間，RT C時間是RT C對應芯片維護的硬件時間。二者也是有聯系的，系統啟動的時候，內核會讀取RTC的時間作為REALTIME時間，之后才獨立。另外，settimeofday系統調用會更新REALTIME時間，并不會更新RTC時間。所以，僅僅設置系統時間，重啟機器后設置不會生效。我們可以使用hwclock-hctosys和hwclock-systohc兩個命令（Hardware Clock to System）完成二者的同步，或者設置系統時間后運行hwclock-w命令同步到RT C時間。

MONOTONIC時間：不是絕對時間，表示系統啟動到當前所經歷的非休眠時間，單調遞增，系統啟動時該值由0開始（timekeeping_init函數），之后一直增加。它不受REALTIME時間變更的影響，也不計算系統休眠的時間，也就是說，系統休眠時它不會增加。

tk的xtime_sec表示REALTIME時間，wall_to_monotonic字段表示由xtime計算得到MONOTONIC時間需要加上的時間段。

在3.10版的內核中，total_sleep_time字段表示系統休眠的時間。下面以xtime表示REALTIME時間，xtime_org表示系統啟動時的xtime初值，wtm表示tk的wall_to_monotonic字段，wtm_org表示系統啟動時wtn的初值，boot_time表示系統啟動時REALTIME時間。則3.10版內核中存在6個公式。

xtime+wtm=monotonic公式（1）

由于系統啟動時monotonic為0，所以有如下關系。

wtm_org=-xtime_org=-old_boot_time公式（2）

系統每次休眠，xtime都會變大，但由于monotonic時間不計算休眠時間，所以有如下關系。

xtime_before_suspend+wtm_before_suspend=monotonic_before_suspend

(xtime_before_suspend+sleep)+wtm_after_suspend=monotonic_after_suspend

monotonic_before_suspend=monotonic_after_suspend

得出：wtm_after_suspend=wtm_before_suspend-sleep

所以，每次休眠過后xtime增加了sleep，wtm也要相應地減去sleep，在不考慮主動修改xtime造成影響的情況下，累計所有的sleep時間得到如下關系。

wtm_current=wtm_org-total_sleep_time 公式（3）

軟件上主動修改xtime亦如此，比如sys_settimeofday系統調用。

記delta=xtime_after_set-xtime_before_set

有：wtm_after_set=wtm_before_set-delta

不考慮休眠的情況下，累計所有的delta，得到如下關系。

wtm_current=wtm_org-total_delta 公式（4）

將休眠和修改均考慮在內，有如下關系。

wtm_current=wtm_org-total_sleep_time-total_delta公式（5）

用戶修改了系統時間后，系統啟動時間也會隨之變化。原因很簡單，正常邏輯下修改之后的時間比修改之前的要正確。

new_boot_time=old_boot_time+total_delta

結合公式（2）有如下關系。

new_boot_time=-wtm_org+total_delta

結合公式（5）有如下關系。

new_boot_time=-wtm_current-total_sleep_time公式（6）

公式（1）和公式（6）就是內核計算MONOTONIC時間和系統啟動時REALTIME時間的原理，getboottime/getboottime64就是利用了公式（6）獲得系統啟動的時間。

在5.05版的內核中，tk移除了total_sleep_time字段，以offs_real字段表示MONOTONIC與REALTIME之間的差，以offs_boot表示MONOTONIC與BOOTTIME之間的差，getboottime/getboottime64直接使用offs_real-offs_boot，即可達到目的。

BOOTTIME時間：表示系統啟動到現在的時間，它也不是絕對時間，與MONOTONIC時間不同的是，BOOTTIME時間會記錄系統休眠的時間。

timekeeper為內核實現了幾個獲取時間的函數，它們為獲取不同種類的時間提供了方便，如表3-6所示。上文中BOOTTIME表示時間種類，boot_time表示系統啟動時的時間，但內核中并沒有把這兩個概念很好地區分，請注意區分下面幾個BOOTTIME。

需要注意的是，MONOTONIC時間也并不是完全單調的，它會受NTP（Network Time Protocol，網絡時間協議）的影響，真正不受影響的是RAWMONOTONIC時間。

3.4 周期性和單觸發的時鐘中斷

現代計算機上一般都會包含多種時鐘中斷設備，它們可以支持周期性和單觸發的時鐘中斷，下文以PIT和APICTimer的組合為例。

TSC的頻率是運行時計算得出的，內核啟動時會利用PIT得到該值（PIT的頻率固定，利用PIT設定時間段，除該時間段內TSC的周期數）。所以PIT會優先工作，調用clockevents_register_device函數注冊它的evt。注冊過程中會執行tick_check_new_device設置該cpu對應的td，將evt賦值給td的evtdev字段。td的默認狀態（mode字段）為TICKDEV_MODE_PERIODIC，這樣PIT的evt的event_handler字段被賦值為tick_handle_periodic。這是第一個階段，系統處于周期性時鐘中斷模式，即tick階段。

APIC Timer進入工作（setup_APIC_timer）之后，由于它的rating比PIT高，td的evtdev字段被替換成APIC的evt，此時可以嘗試切換至nohz模式。

nohz模式（也可稱為tickless模式、oneshot模式、動態時鐘模式），主要要求系統當前的cs要有CLOCK_SOURCE_VALID_FOR_HRES標志（timekeeping_valid_for_hres函數）和evt可以滿足單觸發模式（tick_is_oneshot_available函數）兩個條件。條件滿足的情況下，內核會切換到nohz模式，進入第二個階段。所謂的nohz模式是指時鐘中斷不完全周期性地工作的模式，在該模式下時鐘中斷的間隔可以動態調整。

nohz模式又分為兩種模式：高精度模式和低精度模式。滿足nohz條件的情況下，切換到哪個模式由hrtimer_hres_enabled變量的值決定，該值可通過內核啟動參數設置。等于0時，調用tick_nohz_switch_to_nohz切換到普通nohz模式，否則調用hrtimer_switch_to_hres切換到高精度模式。

低精度和高精度模式不同點如下。

從字面上理解，后者比前者精度要高，事實也確實如此。低精度模式最高的頻率就是HZ，cpu處于非idle的狀態下，它一般也是以周期性的方式工作，之所以稱之為nohz是因為它的頻率可以大于HZ，比如在idle狀態下。高精度模式的最高頻率由時鐘中斷設備決定，該特性與hrtimer完美配合（見15.2.3.3），可以滿足對時間間隔要求較高的應用場景。

低精度模式下，evt的event_handler字段被賦值為tick_nohz_handler，高精度模式下被賦值為hrtimer_interrupt。

時鐘中斷發生后，低精度模式的tick_nohz_handler會在函數本體內完成進程時間計算、進程調度等操作；而hrtimer_interrupt只負責去處理到期的hrtimer，進程時間計算、進程調度等操作是通過ts的sched_timer字段表示的hrtimer完成的，tick_sched_timer函數最終負責完成這些操作（見15.2.3.3小節）。

要理解高精度模式，必須對hrtimer有清楚的認識，hrtimer并不同于timer，它們雖然有相似的函數，但hrtimer可以觸發對時鐘中斷設備編程的動作。

3.5 時間相關的系統調用

時間相關的應用程序比比皆是，它們都需要內核的系統調用支持，比如獲取當前時間或為某些操作定時。

3.5.1 獲取時間

除了前面分析過的gettimeofday和settimeofday系統調用外，內核可能還會實現time和stime系統調用，后面二者都是以秒為單位的，它們的存在也許只是為了向前兼容，程序應該采用前二者。

除此之外，內核還提供了兼容POSIX標準的系統調用clock_gettime和clock_settime等，它們的區別主要在精度上，如表3-7所示。

并不是所有的時間操作都是通過系統調用來完成的，比如更新RTC時間的hwclock命令，它實際上是通過讀寫文件來實現功能的（如/dev/rtc，內核為RTC提供了一個統一的架構）。

3.5.2 給程序定個鬧鐘

就像生活中很多時候需要鬧鐘一樣，很多程序也需要定時提醒。

alarm，在早期的平臺上作為系統調用，現代平臺上基本在C庫中調用其他系統調用實現，精度為秒。

setitimer，alarm多數情況下會通過調用setitimer實現，后者是一個系統調用，通過它可以設置一個定時器。getitimer與之對應，用來獲得定時器的當前時間。setitimer的精度為微秒，函數原型（用戶空間）如下。

第一個參數表示定時器的類型，可以有ITIMER_REAL、ITIMER_VIRTUAL和ITIMER_PROF三種值。該函數不會阻塞當前進程，定時器設置完畢后返回繼續執行，到期后內核會發送信號至當前進程。定時器的類型、意義和對應的到期信號的對應關系如表3-8所示。

每一種類型的定時器相互獨立，但對一個進程而言，同一時刻、同一種定時器只能存在一個；如果還有同類定時器未執行，重新調用該函數會將原定時器取消。

setitimer與alarm相似，需要配合信號機制使用，示例代碼如下。

itimerval結構體的it_value字段表示第一次運行定時器的時間（相對時間）；it_interval字段表示循環運行定時器的時間間隔，為0表示不自動重新啟動定時器。

timer_create族，精度為納秒，時間到期依然是通過信號告知進程，函數原型（用戶空間）如下。

第一個參數表示時鐘類型，POSIX協議共定義了超過10個合法值，但并不是每一個都被內核支持，CLOCK_REALTIME是必定會支持的，如果內核支持MonotonicClock，那么CLOCK_MONOTONIC也會被支持。evp為sigevent結構體指針，timerid用于保存創建成功的定時器的id。與setitimer不同的是，使用timer_create同一時刻同一種定時器可以有多個，每個定時器都以它們的id區分。本質上，setitimer創建的定時器對進程而言是全局的，內核不會在每次調用setitimer的時候去創建一個新的定時器；timer_create會觸發創建新定時器的動作，內核維護定時器的鏈表，有效的id是用戶使用定時器的唯一方式。

操作成功，返回0，定時器的id存入timerid變量中，否則返回非0值，timerid的值無意義。定時器創建成功后，就可以利用它的id使用了，如表3-9所示。

與setitimer相同，timer_settime也可以設置定時器到期后自動重新計時。同一個定時器，到期的時候，有可能它上次到期時產生的信號還處在掛起狀態，那么信號可能會丟失，timer_getoverrun就是計算這類事件發生的次數的。

timer_create看似功能比setitimer強大，但同時也多了管理新建定時器的操作，所以本著夠用即可的原則，除非setitimer不能滿足應用場景要求，才會選擇前者。

3.6 實例分析

時間是系統的節拍，也是很多機制的基礎，我們需要掌握內核計算、維護時間以及時鐘中斷的原理。

3.6.1 實現智能手機的長按操作

我們在手機主界面上操作時，滑動可以翻頁，長按可以進入應用編輯狀態，進行文件夾創建或應用刪除等操作。那么手機操作系統是如何區分滑動和長按的呢？有時我們嘗試長按進行應用編輯卻失敗的原因是什么呢？

首先，滑動和長按的區別在于手指移動的距離。以手指觸摸屏幕的第一個點作為起點，后續的點中只要任何一個點和它的距離超過了閾值，就會被認為是滑動。所以嘗試長按的時候，手指的抖動也可能導致失敗。

其次，長按有時間的設定，比如0.5秒。如果在0.5秒內手指抬起，會被視為點擊，達到0.5秒才會被認為是長按。

從代碼角度，0.5秒是如何實現的呢？手指按下得到第一個點時，應用發送一個0.5秒后啟動長按事件的請求，事件啟動前如果手指抬起或者滑動距離超過閾值，發送取消事件的請求。0.5秒時間內如果沒有取消，長按觸發。

所以，處理事件請求的模塊需要有計時功能，有兩種實現方法，一種是不斷讀取當前時間，另外一種是使用定時器等。

3.6.2 系統的時間并不如你所想

讀者可以做一個實驗，當我們把同步網絡時間功能關閉，系統時間與真實時間的誤差會越來越大。

這是由我們選擇的時鐘導致的，選擇時鐘時優先考慮的是精度，也就是可以測量的最小時間，優點是可以快速響應時間精度要求高的請求。

系統中的RT C時鐘與真實時間接近，但它的精度不夠，往往都不會被選中，所以時間誤差會越來越大。

另外一個有誤差的時間是睡眠，睡眠的過程主要包括讓出CPU、重新可執行和被執行三步。前兩步之間的時間是實際的睡眠時間，后兩步之間的時間是不固定的。進程被喚醒后，當前CPU可能在執行其他進程，其他進程執行完畢后可能還有其他優先級更高的進程需要執行。所以從調用sleep到函數返回，除了實際的睡眠時間，還包括進程調度時間，也是有誤差的。