Linux时间子系统之时间的表示示例详解
前言
在linux内核中,为了兼容原有的代码,或者符合某种规范,并且还要满足当前精度日益提高的要求,实现了多种与时间相关但用于不同目的的数据结构:
1)jiffies和jiffies_64
内核用jiffies_64全局变量记录系统自启动以来经过了多少次tick。它的声明如下(代码位于kernel/time/timer.c中):
__visible u64 jiffies_64 __cacheline_aligned_in_smp = initial_jiffies; export_symbol(jiffies_64);
可以看出来jiffies_64被定义成了64位无符号整数。但是,由于历史的原因,内核源代码中还包含了另一个叫做jiffies的变量。jiffies的引用(代码位于include/linux/jiffies.h中)申明为:
extern u64 __cacheline_aligned_in_smp jiffies_64; extern unsigned long volatile __cacheline_aligned_in_smp __jiffy_arch_data jiffies;
因此,jiffies变量是一个unsigned long类型的全局变量,如果在32位处理器上只有4个字节长(32位)。但是,如果在64位处理器上也有8个字节长(64位),这时候jiffies和jiffies_64两个全局变量是完全等价的。
但是翻遍所有代码你也找不到全局变量jiffies的定义,最终在内核的链接脚本中(对于arm64架构来说脚本位于arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.s中)找到了下面这行:
jiffies = jiffies_64;
玄机在这里,原来在链接的时候指定了符号jiffies和jiffies_64指向同一个地址。也就是说,在32位机器上,jiffies和jiffies_64的低4个字节是一样的。
一般情况下,无论在32位或64位机器上,我们都可以直接访问jiffies全局变量,但如果要获得jiffies_64全局变量,则需要调用get_jiffies_64函数。对于64位系统来说,两者一样,而且jiffies被申明成了volatile的且是cache对齐的,因此只需要直接返回jiffies就好了:
static inline u64 get_jiffies_64(void) { return (u64)jiffies; }
而对于32位系统来说,由于其对64位读写不是原子的,所以还需要持有jiffies_lock读顺序锁:
u64 get_jiffies_64(void) { unsigned int seq; u64 ret; do { seq = read_seqbegin(&jiffies_lock); ret = jiffies_64; } while (read_seqretry(&jiffies_lock, seq)); return ret; }
jiffies基本上是每一次tick到来都会加1的,而tick的周期hz是由内核编译选项配置的。在32位系统中,我们假设hz被设置成了250,那么每个tick的周期就是4毫秒,那么该计数器将在不到200天后达到最大值后溢出。如果hz被设置的更高,那这个溢出时间会更短。当然,如果在64位系统中,则完全不用考虑这个问题。因此,在用jiffies进行时间比较的时候,需要用系统已经定义好的几个宏:
time_after(a,b) time_before(a,b) time_after_eq(a,b) time_before_eq(a,b) time_in_range_open(a,b,c) time_is_before_jiffies(a) time_is_after_jiffies(a) time_is_before_eq_jiffies(a) time_is_after_eq_jiffies(a)
为了保险起见,内核也提供了对应的64位版本。这些宏可以有效的解决回绕问题,不过也不是无限制的。具体是怎么做到的呢?我们挑一个time_after宏来看看就知道了:
#define time_after(a,b) \ (typecheck(unsigned long, a) && \ typecheck(unsigned long, b) && \ ((long)((b) - (a)) < 0))
先是对两个变量做类型检查,必须都是unsigned long型的。最重要的是后面,先将两个无符号长整形相减,然后将他们变成有符号的长整型,再判断其是否为负数,也就是32位的最高位是否为1。
为什么这样可以部分解决所谓回绕的问题呢?我们可以举个例子,为了简单起见,以8位无符号整数为例,其取值范围是0到255(0xff)。假设当前时间是250,那么过5个tick之后,就是255了,已经到达了能表达的最大值。这时,如果再过一个tick,也就是6个tick之后,就将会溢出变成0了。此时,如果简单的通过对两个值的比较来判断哪个时间再后面的话,显然就要出错了,因为过了6个tick之后的时间是0,反而小于当前的时间,这个问题就是所谓的回绕。但是,如果我们先将这两个数相减,也就是0-250(0-0xfa),也会产生溢出,最终得到的数刚好是6。但这也是有限制的,两个比较的时间之间的差值不能超过最大表示范围的一半。假设现在的时间还是250,而过了128个tick之后,时间值将变成122,再将两者相减的话就是122-250(0x86-0xfa),减出来的数字就是128了,此时转成有符号数就变成负数了,结果就错了。
另外,jiffies是每个tick更新一次的,而tick的周期又是编译的时候定义好的,所以可以将jiffies的数值转换成具体过了多少时间,反之亦然。因此,内核提供了如下转换函数:
unsigned int jiffies_to_msecs(const unsigned long j); unsigned int jiffies_to_usecs(const unsigned long j); unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m); unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);
2)timespec和timespec64
timespec由秒和纳秒组成,其定义如下(代码位于include/uapi/linux/time.h):
struct timespec { __kernel_time_t tv_sec; long tv_nsec; };
tv_sec:存放自1970年1月1日0时(utc时间)以来经过的秒数。__kernel_time_t最终定义成了long型,也就是在32位系统上是32位长,而在64位系统上是64位长。
tv_nsec:存放自上一秒开始经过的纳秒(ns)数。
timespec还有一个64位的扩展结构,其定义如下(代码位于include/linux/time64.h):
typedef __s64 time64_t; ...... struct timespec64 { time64_t tv_sec; long tv_nsec; };
这个结构体中的变量定义和timespec一样,只不过tv_sec的类型一定是64位无符号数。所以,也就是说在64位系统上,timespec和timespec64结构体是一模一样的。
3)ktime_t
在linux的时间子系统内,一般使用ktime_t来表示时间,其定义如下(代码位于include/linux/ktime.h):
typedef s64 ktime_t;
就是一个非常简单的64位带符号整数,表示的时间单位是纳秒。
4)timeval
gettimeofday和settimeofday函数使用timeval作为时间单位:
struct timeval { __kernel_time_t tv_sec; __kernel_suseconds_t tv_usec; };
tv_sec:存放自1970年1月1日0时(utc时间)以来经过的秒数。__kernel_time_t最终定义成了long型,也就是在32位系统上是32位长,而在64位系统上是64位长。
tv_usec:__kernel_suseconds_t实际最终也被定义成了long型,存放自上一秒开始经过的微秒(us)数。
所以,这个结构体其实和timespec结构体大同小异,tv_sec存的值是一样的,而只需要将timespec中的tv_nsec除以1000就是timeval中的tv_usec。
总结
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