Linux內核之時間系統

1、Linux時間系統

Linux系統中有兩個時鐘源，一個叫做RTC，另一個叫做系統時鐘。時鐘運作機制如下圖：

（1）CMOS時鐘

RTC（Real Time Clock,實時時鐘）也叫做CMOS時鐘，它獨立於操作系統，由PC主板上的一塊鈕釦電池供電，當操作系統關機的時候，用它來記錄時間，當系統啓動時，內核通過讀取RTC來初始化牆上時間，它爲計算機提供一個計時標準，是最原始最底層的時鐘數據。（後面介紹牆上時間）

（2）系統時鐘

系統時鐘是由操作系統控制PC主板上的定時/計數芯片來工作的，它依賴CMOS時鐘而啓動，初始化後由操作系統完全管理，操作系統通過OS時鐘提供給應用程序所有和時間有關的服務。系統時鐘產生於PC主板上的定時/計數芯片，常見的有8253/8254可編程定時/計數芯片，其工作原理是由晶振、電容等組成的振盪電路，產生脈衝（高低電平），這些脈衝輸入到中斷控制器上，產生中斷信號，觸發時鐘中斷，由時鐘中斷服務程序維持OS時鐘正常工作。
系統時鐘記錄的時間也就是我們常見的系統時間，它是以“時鐘節拍”爲單位的，時鐘中斷的頻率（節拍率）決定了一個時鐘節拍的長短。節拍率是通過靜態預處理定義的，也就是Hz（赫茲），Linux內核版本4.19中是這樣定義的：

#ifndef __ASM_GENERIC_PARAM_H
#define __ASM_GENERIC_PARAM_H

#include <uapi/asm-generic/param.h>

# undef HZ
# define HZ		CONFIG_HZ	/* Internal kernel timer frequency */
# define USER_HZ	100		/* some user interfaces are */
# define CLOCKS_PER_SEC	(USER_HZ)       /* in "ticks" like times() */
#endif /* __ASM_GENERIC_PARAM_H */

一個tick代表多長時間，在內核的CONFIG_HZ中定義。比如CONFIG_HZ=200，則一個jiffies對應5ms時間，所以內核基於jiffies的定時器精度也是5ms。（下面介紹jiffies）

（3）節拍數（jiffies）

jiffies是Linux內核中的一個全局變量，用來記錄自系統啓動以來產生的節拍總數。啓動時內核將該變量初始化爲0，此後每次時鐘中斷jiffies的值+1，每一秒鐘中斷次數HZ，jiffies一秒內增加HZ。

• 將秒轉換爲jiffies可採用公式：seconds*HZ
• jiffies轉換爲秒可採用公式：jiffies/HZ
• 系統運行時間（s） = jiffies/HZ

jiffies用途：計算流逝時間和時間管理。
jiffies 變量總是無符號長整數（Unsigned Long）。因此，在32位體系結構上是32位，在64位體系結構是64位，當 jiffies 的值超過它的最大存放範圍後就會發生溢出，它的值會迴繞到0。內核提供了這樣的宏來幫助解決由於jiffies溢出而造成程序邏輯出錯的情況：

#define time_after(a,b)		\
	(typecheck(unsigned long, a) && \
	 typecheck(unsigned long, b) && \
	 ((long)((b) - (a)) < 0))
#define time_before(a,b)	time_after(b,a)

#define time_after_eq(a,b)	\
	(typecheck(unsigned long, a) && \
	 typecheck(unsigned long, b) && \
	 ((long)((a) - (b)) >= 0))
#define time_before_eq(a,b)	time_after_eq(b,a)

在宏time_after中，首先確保兩個輸入參數a和b的數據類型爲unsigned long，然後才執行實際的比較。

（4）牆上時間（xtime）

牆上時間就是實際時間，實際時間的獲取是在開機後，內核初始化時從RTC讀取的。內核讀取這個時間後就將其放入內核中的 xtime 變量中，並且在系統的運行中不斷更新這個值。內核中並不常用牆上時間，主要是方便用戶空間的程序獲取當前時間。它的精度可以達到納秒級別，因爲xtime實際上是一個內存中的變量，它的訪問速度非常快，內核大部分時間都是使用xtime來獲得當前時間信息。Linux中的xtime記錄的是自1970年1月1日0時到當前時刻所經歷的納秒數。

2、重要數據結構

Linux內核提供各種time line，real time clock，monotonic clock、monotonic raw clock等，timekeeping模塊就是負責跟蹤、維護這些timeline的，並且向其他模塊（timer相關模塊、用戶空間的時間服務等）提供服務，而timekeeping模塊維護timeline的基礎是基於clocksource模塊和tick模塊。通過tick模塊的tick事件，可以週期性的更新time line，通過clocksource模塊、可以獲取tick之間更精準的時間信息。
Linux內核版本4.19中在linux-4.19\include\linux\timekeeper_internal.h下有這樣兩個數據結構：

（1）struct tk_read_base

讀取時間的基本結構tk_read_base，內核版本4.19源碼如下：

struct tk_read_base {
	struct clocksource	*clock;
	u64			mask;
	u64			cycle_last;
	u32			mult;
	u32			shift;
	u64			xtime_nsec;
	ktime_t			base;
	u64			base_real;
};

其中：

• clock：timekeeping當前使用的時鐘源

這個clock應該是系統中最優的那個，如果有好過當前clocksource註冊入系統，那麼clocksource模塊會通知timekeeping模塊來切換clocksource。

• mask：非64位時鐘的二進制補碼減法的位掩碼
• cycle_last：最後一次更新的時鐘週期值
• mult ：（經過NTP調整）數學換算的乘數
• shift：數學換算的移位值
• xtime_nsec：用於讀出納秒的偏移量
• base：用於讀取ktime_t（納秒）的基本時間
• base_real：用於讀出實際時間的基本納秒值
• base_real：用於快速NMI安全訪問器，以允許讀取時鐘

此結構在64位上的大小爲56字節,連同一個seqcount佔用64字節緩存。
這個結構體與timekeeper結構是分開的，因爲它也被使用用於快速NMI安全訪問器。
base_real用於快速NMI安全訪問器以允許從任何上下文讀取實際時間。

（2）struct timekeeper

timekeeper結構用於保存計時值，內核版本4.19源碼如下：

struct timekeeper {
	struct tk_read_base	tkr_mono;
	struct tk_read_base	tkr_raw;
	u64			xtime_sec;
	unsigned long		ktime_sec;
	struct timespec64	wall_to_monotonic;
	ktime_t			offs_real;
	ktime_t			offs_boot;
	ktime_t			offs_tai;
	s32			tai_offset;
	unsigned int		clock_was_set_seq;
	u8			cs_was_changed_seq;
	ktime_t			next_leap_ktime;
	u64			raw_sec;

	/* The following members are for timekeeping internal use */
	u64			cycle_interval;
	u64			xtime_interval;
	s64			xtime_remainder;
	u64			raw_interval;
	/* The ntp_tick_length() value currently being used.
	 * This cached copy ensures we consistently apply the tick
	 * length for an entire tick, as ntp_tick_length may change
	 * mid-tick, and we don't want to apply that new value to
	 * the tick in progress.
	 */
	u64			ntp_tick;
	/* Difference between accumulated time and NTP time in ntp
	 * shifted nano seconds. */
	s64			ntp_error;
	u32			ntp_error_shift;
	u32			ntp_err_mult;
	/* Flag used to avoid updating NTP twice with same second */
	u32			skip_second_overflow;
#ifdef CONFIG_DEBUG_TIMEKEEPING
	long			last_warning;
	/*
	 * These simple flag variables are managed
	 * without locks, which is racy, but they are
	 * ok since we don't really care about being
	 * super precise about how many events were
	 * seen, just that a problem was observed.
	 */
	int			underflow_seen;
	int			overflow_seen;
#endif
};

其中：

• tkr_mono：CLOCK_MONOTONIC的讀出基本結構
• tkr_raw：CLOCK_MONOTONIC_RAW的讀出基本結構
• xtime_sec：當前的CLOCK_REALTIME時間，以秒爲單位

Linux中CLOCK_REALTIME time，直接使用秒以及納秒在當前秒內的偏移來表示。這裏xtime_sec用秒這個的刻度單位來度量CLOCK_REALTIME time line上，時間原點到當前點的距離值。當然xtime_sec是一個對current time point的取整值，爲了更好的精度，還需要一個納秒錶示的offset，也就是在剛纔那個數據結構tk_read_base結構中的xtime_nsec。不過爲了內核內部計算精度（內核對時間的計算是基於cycle的），並不是保存了時間的納秒偏移值，而是保存了一個shift之後的值，因此，用戶看來，當前時間點的值應該是距離時間原點xtime_sec + (xtime_nsec << shift)距離的那個時間點值。

• ktime_sec：當前的CLOCK_MONOTONIC時間，以秒爲單位
• wall_to_monotonic：從CLOCK_REALTIME到CLOCK_MONOTONIC偏移

CLOCK_MONOTONIC類型的系統時鐘。這種系統時鐘並沒有像牆上時鐘一樣定義一個相對於linux epoch的值，這個成員定義了monotonic clock到real time clock的偏移，也就是說，這裏的wall_to_monotonic和offs_real需要加上real time clock的時間值才能得到monotonic clock的時間值。wall_to_monotonic和offs_real的意思是一樣的，不過時間的格式不一樣，用在不同的場合，以便獲取性能的提升。

• offs_real：偏移時鐘單調->時鐘實時
• offs_boot：偏移時鐘單調->時鐘啓動時間
• offs_tai：偏移時鐘單調->時鐘tai
• tai_offset：當前UTC到TAI的偏移量，以秒爲單位

CLOCK_TAI類型的系統時鐘。TAI（international atomic time）是原子鐘，在時間的基本概念文檔中，UTC就是base TAI的，也就是說用銫133的振盪頻率來定義秒的那個時鐘，CLOCK_TAI類型的系統時鐘就是完完全全使用銫133的振盪頻率來定義秒的那個時鐘。

• clock_was_set_seq：時鐘被設置事件的序號
• cs_was_changed_seq：時鐘源更改事件的序列號
• next_leap_ktime：待處理的leap秒的CLOCK_MONOTONIC時間值
• raw_sec：CLOCK_MONOTONIC_RAW時間以秒爲單位
• cycle_interval：一個NTP間隔中的時鐘週期數
• xtime_interval：一個NTP中的時鐘移位納秒數間隔
• xtime_remainder：四捨五入時還剩納秒
• cycle_interval：一個NTP間隔中的時鐘週期數
• raw_interval：每個NTP間隔累積的偏移原始毫微秒
• ntp_error：ntp中的累積時間和NTP時間之間的差偏移了納秒
• ntp_error_shift：時鐘移位納秒和ntp移位納秒之間的轉換
• last_warning：警告速率限制器（DEBUG_TIMEKEEPING）
• underflow_seen：下溢警告標誌（DEBUG_TIMEKEEPING）
• overflow_seen：溢出警告標誌（DEBUG_TIMEKEEPING）

（3）內核中表示時間的數據結構

在內核版本4.19linux-4.19\include\uapi\linux\time.h中有這樣幾個表示時間的數據結構，源碼如下：

#ifndef _STRUCT_TIMESPEC
#define _STRUCT_TIMESPEC
struct timespec {
	__kernel_time_t	tv_sec;			/* seconds */
	long		tv_nsec;		/* nanoseconds */
};
#endif

該數據結構來自於POSIX.1b規範，用於在用戶態和內核態之間傳遞時間信息。POSIX還定義了許多API供用戶態調用，例如clock_gettime()，clock_settime()等，其中的表示時間的結構都是timespec。

struct timeval {
	__kernel_time_t		tv_sec;		/* seconds */
	__kernel_suseconds_t	tv_usec;	/* microseconds */
};

該結構也用於用戶態和內核態間的時間信息傳遞。不同於timespec的是它的兩個成員分別是秒和微妙，精度要比timespec差。另外一個區別是相關API也不同，timeval相關的API是gettimeofday()等。

3、Linux常用的關於時間的命令

命令如下，結果如圖：
（1）查看時間和日期

date

（2）設置時間和日期
將日期設置爲2019年11月18日

date -s 11/18/2019

將系統時間設定成下午6點16分26秒

date -s 6:16:26

（3）同步網絡時間

ntpdate -u 0.asia.pool.ntp.org

（4）將當前時間和日期寫入BIOS，避免重啓後失效

hwclock -w

（5）查看月曆

call

更多關於時間的操作，可以使用命令man date來查看。。。