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linux內(nèi)核時(shí)間管理
時(shí)間：2017-11-23 來源：未知
前言：
Linux中如何對(duì)時(shí)間進(jìn)行管理？時(shí)鐘節(jié)拍的概念及延時(shí)函數(shù)的用法很多同學(xué)都用不好，下面我給大家總結(jié)一下。
一，linux時(shí)鐘運(yùn)作機(jī)制
1，linux時(shí)鐘運(yùn)作機(jī)制
• 大部分PC機(jī)中有兩個(gè)時(shí)鐘源，分別是實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和 操作系統(tǒng)（OS）時(shí)鐘
• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘也叫CMOS時(shí)鐘，它靠電池供電，即使系統(tǒng)斷電，也可以維持日期和時(shí)間。
• RTC和OS時(shí)鐘之間的關(guān)系通常也被稱作操作系統(tǒng)的時(shí)鐘運(yùn)作機(jī)制
• 不同的操作系統(tǒng)，其時(shí)鐘運(yùn)作機(jī)制也不同
linux中的時(shí)鐘機(jī)制大致如下圖所示
linux中時(shí)鐘機(jī)制
由上圖可知：
RTC是硬件時(shí)鐘，它為整個(gè)計(jì)算機(jī)提供一個(gè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，是原始底層的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，由紐扣電池供電，系統(tǒng)斷電后仍然在工作
OS時(shí)鐘產(chǎn)生于PC主板上的定時(shí)/計(jì)數(shù)芯片，由操作系統(tǒng)控制這個(gè)芯片的工作，OS時(shí)鐘的基本單位就是該芯片的計(jì)數(shù)周期，開機(jī)時(shí)操作系統(tǒng)取得RTC中的時(shí)間數(shù)據(jù)來初始化OS時(shí)鐘，所以它只是在開機(jī)有效，由操作系統(tǒng)控制，已被稱為軟時(shí)鐘或系統(tǒng)時(shí)鐘。操作系統(tǒng)通過OS時(shí)鐘提供給應(yīng)用程序和時(shí)間有關(guān)的服務(wù)。
擴(kuò)展：OS時(shí)鐘其本質(zhì)是一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器從計(jì)數(shù)初值開始，每收到一次脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)減至0時(shí)，就會(huì)輸出高電平或低電平，然后獲取重載值重新從初值開始計(jì)數(shù)，不斷循環(huán)，這樣就得到一個(gè)輸出脈沖，這個(gè)脈沖作用中斷控制器上，產(chǎn)生中斷信號(hào)，觸發(fā)時(shí)鐘中斷。
2，OS時(shí)鐘中斷
• OS時(shí)鐘是由可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的輸出脈沖觸發(fā)中斷而產(chǎn)生的,而輸出脈沖的周期叫做一個(gè)“時(shí)鐘節(jié)拍”（Tick，又稱滴答），（中斷觸發(fā)時(shí)會(huì)進(jìn)入中斷處理函數(shù)，使jiffies+1）
• 操作系統(tǒng)的“時(shí)間基準(zhǔn)” 由設(shè)計(jì)者決定，Linux的時(shí)間基準(zhǔn)是1970年1月1日凌晨0點(diǎn)
• OS時(shí)鐘記錄的時(shí)間就是系統(tǒng)時(shí)間。系統(tǒng)時(shí)間以“時(shí)鐘節(jié)拍”為單位
•時(shí)鐘中斷觸發(fā)的頻率，由內(nèi)核HZ來確定，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)按照定義的HZ值對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)置
比如對(duì)HZ的定義如下：
#define Hz 100
內(nèi)核時(shí)間頻率：表示每秒鐘觸發(fā)100次時(shí)鐘中斷，即每10ms觸發(fā)一次，
每次中斷jiffies+1，,則每秒jiffies增加了100，
• Linux中用全局變量 jiffies表示系統(tǒng)自啟動(dòng)以來的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)目（時(shí)鐘中斷觸發(fā)的次數(shù)）
因此系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間以s為單位計(jì)數(shù)， 就等于 jiffies/HZ
內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)將該變量初始化為0，此后，每次時(shí)鐘中斷處理程序都會(huì)增加該變量的值，每秒鐘觸發(fā)中斷的次數(shù)為Hz,
3、實(shí)際時(shí)間
實(shí)際時(shí)間就是現(xiàn)實(shí)中鐘表上顯示的時(shí)間，其實(shí)內(nèi)核中并不常用這個(gè)時(shí)間，主要是用戶空間的程序有時(shí)需要獲取當(dāng)前時(shí)間，所以內(nèi)核中也管理著這個(gè)時(shí)間。
實(shí)際時(shí)間的獲取是在開機(jī)后，內(nèi)核初始化時(shí)從RTC讀取的。
內(nèi)核讀取這個(gè)時(shí)間后就將其放入內(nèi)核中的 xtime 變量中，并且在系統(tǒng)的運(yùn)行中不斷更新這個(gè)值。
當(dāng)前實(shí)際時(shí)間（墻上時(shí)間）： xtime.tv_sec以秒為單位，存放著自1970年7月1日（UTC）以來經(jīng)過的時(shí)間，1970年1月1日被稱為紀(jì)元。多數(shù)Unix系統(tǒng)的墻上時(shí)間都是基于該紀(jì)元而言的。xtime.tv_nsec記錄自上一秒開始經(jīng)過的納秒數(shù)。
在<Time.h(incluce/linux)>中
extern struct timespec xtime;
#ifndef _STRUCT_TIMESPEC
#define _STRUCT_TIMESPEC
struct timespec { /*高精度*/
time_t tv_sec; /* seconds */
long tv_nsec; /* nanoseconds 納秒*/
};
#endif
從用戶空間取得墻上時(shí)間的主要接口是gettimeofday()，在內(nèi)核中對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用為sys_gettimeofday():
雖然內(nèi)核也實(shí)現(xiàn)了time()系統(tǒng)調(diào)用，但是gettimeofday()幾乎完全取代了它。C庫函數(shù)也提供了墻上時(shí)間相關(guān)的庫調(diào)用，比如ftime(),ctime()。
除了更新xtime時(shí)間外，內(nèi)核不會(huì)想用戶空間程序那樣頻繁的使用xtime。但是，在文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)代碼中存放訪問時(shí)間戳（創(chuàng)建，存取，修改等）需要使用xtime。
4，時(shí)鐘中斷處理程序----操作系統(tǒng)的脈搏
每一次時(shí)鐘中斷的產(chǎn)生都觸發(fā)下列幾個(gè)主要的操作：
– 給jiffies變量加 1
– 更新時(shí)間和日期，既更新xtime墻上時(shí)間
– 確定當(dāng)前進(jìn)程在CPU 上已運(yùn)行了多長時(shí)間，如果已經(jīng)超過了分配給它的時(shí)間，則搶占它
– 更新資源使用統(tǒng)計(jì)數(shù)
– 檢查定時(shí)器時(shí)間間隔是否已到，如果是，則執(zhí)行它注冊(cè)的函數(shù)（運(yùn)行于底半部軟中斷中）
以上工作每秒要發(fā)生 Hz次，也就是說PC上的時(shí)鐘中斷處理程序執(zhí)行的頻率為Hz
5、時(shí)間系統(tǒng)總結(jié)
1、節(jié)拍----->jiffies
又稱時(shí)鐘滴答，是一個(gè)全局變量，它的值在系統(tǒng)引導(dǎo)的時(shí)候初始化為0，在時(shí)鐘中斷初始化完成后，每次時(shí)鐘中斷發(fā)生，在時(shí)鐘中斷處理例程中都會(huì)將jiffies的值 ＋1。
jiffies_64：為了解決jiffies溢出問題，更重要的是通過jiffies_64可以知道自開機(jī)以來的時(shí)間間隔。
2、節(jié)拍率---->HZ
HZ表示時(shí)鐘中斷發(fā)生的頻率。可以在.config的配置文件中改寫。1／HZ是每個(gè)jiffies＋1的時(shí)間間隔。
3、通過jiffies可以進(jìn)行時(shí)間的比較和時(shí)間轉(zhuǎn)換
4、時(shí)間比較
32位 64位
time_after(a,b) time_after64(a,b)
time_before(a,b) time_before64(a,b)
time_after_eq(a,b) time_after_eq64(a,b)
time_before_eq(a,b) time_before_eq64
time_in_range(a,b,c) time_in_range(a,b,c)
5、時(shí)間轉(zhuǎn)換
a、jiffies和msecs以及usecs的轉(zhuǎn)換：
unsigned int jiffies_to_msecs(const unsigned long);
unsigned int jiffies_to_usecs(const unsigned long);
unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m);
unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);
b、jiffies和timespec以及timeval的轉(zhuǎn)換
在用戶空間，應(yīng)用程序更多的使用秒以及毫秒等時(shí)間形式，而在內(nèi)核中多使用jiffes。
內(nèi)核定義了struct timeval 和 struct timespec 兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct timespec {
__kernel_time_t tv_sec;
long tv_nsec;
}
struct timeval {
__kernel_time_t tv_sec;
__kernel_suseconds_t tv_usec;
}
相互轉(zhuǎn)換函數(shù)：
unsigned long timespec_to_jiffies(const struct timespec *value);
void jiffies_to_timespec(const unsigned long jiffies, struct timespec *value);
unsigned long timeval_to_jiffies(const struct timeval *value);
void jiffies_to_timeval(const unsigned long jiffies, struct timeval *value);
6、要注意的是jiffies的精度問題。如果HZ ＝ 1000，則jiffies增加1代表1ms。
如果要用到更高精度的始終，要用其他的硬件機(jī)制。
二、內(nèi)核短延時(shí)
Linux內(nèi)核中提供了下列3個(gè)函數(shù)以分別進(jìn)行納秒、微秒和毫秒延遲：
void ndelay(unsigned long nsecs);
void udelay(unsigned long usecs);
void mdelay(unsigned long msecs);
上述延遲的實(shí)現(xiàn)原理本質(zhì)上是忙等待，它根據(jù)CPU頻率進(jìn)行一定次數(shù)的循環(huán)。如果沒有特殊的理由（比如在中斷上下文中獲取自旋鎖的情況），不推薦使用這些函數(shù)延遲較長的時(shí)間，浪費(fèi)CPU。
注：ndelay 和 mdelay都是基于udelay，將udelay的次數(shù)除1000就是ndelay,因此ndelay的次數(shù)為1000的整數(shù)倍才準(zhǔn)確。
有時(shí)候，人們?cè)谲浖羞M(jìn)行下面的延遲：
void delay(unsigned int time)
{
while(time--);
}
ndelay（）、udelay（）和mdelay（）函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式原理與此類似。
內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)，會(huì)運(yùn)行一個(gè)延遲循環(huán)校準(zhǔn)（Delay Loop Calibration），計(jì)算出lpj（Loops Per Jiffy）即處理器在一個(gè)jiffy時(shí)間內(nèi)運(yùn)行一個(gè)內(nèi)部的延遲循環(huán)的次數(shù)，內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)會(huì)打印如下類似信息：
Calibrating delay loop... 530.84 BogoMIPS (lpj=1327104)
如果我們直接在bootloader傳遞給內(nèi)核的bootargs中設(shè)置lpj=1327104，則可以省掉這個(gè)校準(zhǔn)的過程節(jié)省約百毫秒級(jí)的開機(jī)時(shí)間。
睡著延時(shí)
毫秒時(shí)延（以及更大的秒時(shí)延）已經(jīng)比較大了，在內(nèi)核中，好不要直接使用mdelay（）函數(shù)，這將耗費(fèi)CPU資源，對(duì)于毫秒級(jí)以上的時(shí)延，內(nèi)核提供了下述函數(shù)：
void msleep(unsigned int millisecs);
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int millisecs);
void ssleep(unsigned int seconds);
上述函數(shù)將使得調(diào)用它的進(jìn)程睡眠參數(shù)指定的時(shí)間為millisecs，msleep（）、ssleep（）不能被打斷，而msleep_interruptible（）則可以被打斷。
受系統(tǒng)Hz以及進(jìn)程調(diào)度的影響，msleep（）類似函數(shù)的精度是有限的。
三、內(nèi)核長延時(shí)
在內(nèi)核中，一個(gè)直觀的延時(shí)的方法是將所要延遲的時(shí)間設(shè)置的當(dāng)前的jiffies加上要延遲的時(shí)間，這樣就可以簡單的通過比較當(dāng)前的jiffies和設(shè)置的時(shí)間來判斷延時(shí)的時(shí)間時(shí)候到來。針對(duì)此方法，內(nèi)核中提供了簡單的宏用于判斷延時(shí)是否完成。
time_after(a,b); /*如果時(shí)間a在b之后 (a＞b)，則返回真，否則返回0*/
time_before(a,b); /*如果時(shí)間a在b之前 (a＜b)，則返回真，否則返回0*/
長延時(shí)實(shí)現(xiàn)舉例：
/* 延遲 100 個(gè) jiffies */
unsigned long delay = jiffies + 100;
while(time_before(jiffies, delay));
/* 再延遲 2s */
unsigned long delay = jiffies + 2*Hz;
while(time_before(jiffies, delay));
與time_before（）對(duì)應(yīng)的還有一個(gè)time_after（），它們?cè)趦?nèi)核中定義為（實(shí)際上只是將傳入的未來時(shí)間jiffies和被調(diào)用時(shí)的jiffies進(jìn)行一個(gè)簡單的比較）：
#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)
為了防止在time_before（）和time_after（）的比較過程中編譯器對(duì)jiffies的優(yōu)化，內(nèi)核將其定義為
volatile變量，這將保證每次都會(huì)重新讀取這個(gè)變量。因此volatile更多的作用還是避免這種讀合并。
四、讓進(jìn)程睡固定的時(shí)間
下面兩個(gè)函數(shù)可以將當(dāng)前進(jìn)程添加到等待隊(duì)列中，從而在等待隊(duì)列上睡眠，當(dāng)超時(shí)發(fā)生時(shí)，進(jìn)程將被喚醒：
sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, unsigned long timeout);
interrupt_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q, unsigned long timeout);
