Linux 定时器和时间管理

关于时间，内核需要做的两件事是：

保存当前的时间和日期。
维持定时器。

硬件和电路

实时时钟（RTC）

实时时钟（Real Time Clock, RTC）是用来持久存放系统时间的设备，即时系统关闭后，它也可以依靠主板上的电池保持系统的计时。RTC能在IRQ8上发出周期性的中断。系统启动时，内核通过读取RTC来初始化墙上时间，改时间存放在xtime变量中。

时间戳计数器（TSC）

所有80x86处理器都包含一条CLK输入引线，它接受外部振荡器的时钟信号，另外还包含一个计数器，它在每个时钟信号到来时加1. 该计数器就是64位的时间戳计数器（Time Stamp Counter TSC）。

系统定时器

各种体系结构中的定时器的实现不尽相同，但根本思想都是：提供一种周期性触发中断机制。可以简单地理解为一个可编程的硬件设备，它能以某个可变的频率发出电信号，作为时钟中断的中断源。

可编程间隔定时器（PIT）

可编程间隔定时器（Programmable Interval Timer PIT）以内核确定的一个固定频率，发出一个特殊的中断，即时钟中断（timer interrupt）。Linux启动时会给PC的第一个PIT 进行编程，以某个频率发出时钟中断，两个中断间的时间间隔叫做一个节拍（tick）。

CPU本地定时器

80x86处理器的本地APIC中还提供了另一种定时测量设备：CPU本地定时器。与PIT的区别是：本地APIC定时器只把中断发送给自己的处理器，而PIT产生一个全局性中断，系统中的任一CPU都可以对其处理。

高精度事件定时器（HPET）

HPET(High Precision Event Timer)俗称高精度定时器，可以提供更高精度的时间测量，可以通过配置来取代PIT。

ACPI电源管理定时器（ACPI Power Management Timer, ACPI PMT）

ACPI PMT也是一个定时器，主要是用于CPU降频或降压来省电的情况。

内核中实现计时的数据结构和原理

前面说过，计算机可能有多种不同的计时器（timer），在系统初始化的时候，内核会选择合适的计时器作为中断源。

内核中时间相关的概念

节拍率（tick rate）

系统定时器以某种频率自行触发（经常被称为hitting或popping）时钟中断，该频率可以编程预定，称为节拍率。节拍率是通过静态预处理定义的，即HZ值，内核在 <asm/param.h>中定义了这个值。

高HZ的优势是定时器更准，依赖定时执行的系统调用（如poll和epoll）精度更高，对资源消耗等值的测量有更精细的解析度，进程抢占更准确。高HZ的劣势就是过高的时钟中断意味着系统负担较重。

节拍（tick）

两次连续时钟中断的间隔时间。

墙上时间（wall time）

实际时间。墙上时间存放于变量xtime中<kernel/time/timekeeping.c>. 从用户空间获取墙上时间的主要接口是gettimeofday(), 在内核中对应系统调用为 sys_gettimeofday(), 本质上就是读取xtime的内容。xtime的数据结构中存放着自1970 年1月1日以来的秒数，以及自上一秒开始的纳秒数。

jiffies

全局变量jiffies用来记录系统自启动以来产生的节拍的总数。64位系统中该变量等同于 jiffies_64.

动态定时器

动态定时器或内核定时器，是内核提供的一个机制，让一些工作可以在一个指定时间之后运行。定时器的数据结构是struct timer_list，代码在这里。

可以使用内核提供的一组接口来创建、修改和删除定时器。每个定时器的数据结构内都有一个字段表明这个定时器的到期时间。所有定时器都是以链表的形式存放在一起，为了让内核寻找到超时的定时器，内核将定时器按它们的超时时间划分为5组。

定时器通过TIMER_SOFTIRQ软中断执行。

时钟中断处理程序

IRQ0表示system timer，IRQ8表示RTC timer，IRQ239就表示本地APIC时钟中断。

利用时钟中断处理的工作

利用时钟中断处理的工作包括：

更新系统运行时间和实际时间。
在smp系统上，均衡调度程序中各处理器上的运行队列。如果运行队列不均衡的话，尽量使它们均衡。
进行进程调度。
运行超时的动态定时器。
更新资源消耗和处理器时间的统计值。

在多处理器系统中，所有通用的工作（比如运行超时的动态定时器，系统时间的更新等），是通过全局定时器（PIT或HPET等）中断触发的。而与每个CPU相关的工作（比如统计进程消耗的时间以及资源统计等），是由每个CPU的本地定时器进行触发的。

时钟中断处理程序的主要执行过程

获得xtime_lock锁（对jiffies_64和xtime进行保护）。
需要是应答或重新设置系统时钟。
周期性地使用墙上时间更新RTC。
调用体系结构无关的例程tick_periodic():
- 给fiffies_64变量加1.
- 更新资源消耗的统计值，比如当前进程所消耗的系统时间和用户时间。
- 执行已经到期的动态定时器。
- 对当前进程的时间片数值进行更新。
- 更新墙上时间（该事件存放在xtime变量中）。
- 计算平均负载值。

中断处理程序的实现

tick_periodic()的代码在这里。

/*
 * Periodic tick
 */
static void tick_periodic(int cpu)
{
        if (tick_do_timer_cpu == cpu) {
                write_seqlock(&jiffies_lock);

                /* Keep track of the next tick event */
                tick_next_period = ktime_add(tick_next_period, tick_period);

                do_timer(1);
                write_sequnlock(&jiffies_lock);
        }

        update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));
        profile_tick(CPU_PROFILING);
}

其中：

调用update_wall_time()来更新墙上时间。

调用calc_global_load()来计算平均负载，代码在这里。

调用update_process_times()来更新所耗费的各种节拍数：

update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));

而update_process_times()定义在这里：

/*
 * Called from the timer interrupt handler to charge one tick to the current
 * process.  user_tick is 1 if the tick is user time, 0 for system.
 */
void update_process_times(int user_tick)
{
        struct task_struct *p = current;
        int cpu = smp_processor_id();

        /* Note: this timer irq context must be accounted for as well. */
        account_process_tick(p, user_tick);
        run_local_timers();
        rcu_check_callbacks(cpu, user_tick);
#ifdef CONFIG_IRQ_WORK
        if (in_irq())
                irq_work_run();
#endif
        scheduler_tick();
        run_posix_cpu_timers(p);
}

3.1

user_tick的值用来指明这次对进程更新的是系统时间还是用户时间。user_tick的值通过查看系统寄存器来设置。也就是说，内核对进程进行时间计数时，是根据中断发生时处理器所处的模式进行分类统计的，它把上一个节拍全部算给了进程。尽管在上个节拍内，进程可能多次进入和退出了内核模式，而且现在的进程也不一定是上一个节拍内唯一运行的进程。

3.2

run_local_timers()标记了一个软中断：raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ), 来运行所有到期的定时器。

3.3

scheduler_tick()函数负责减少当前运行进程的时间片计数值并且在需要时设置 need_resched标志。在SMP机器中该函数还要负责平衡每个处理器上的运行队列。

参考资料：