Linux內核中的jiffies及其做用介紹及jiffies等相關函數詳解

在LINUX的時鐘中斷中涉及至二個全局變量一個是xtime,它是timeval數據結構變量，另外一個則是jiffies，首先看timeval結構
struct timeval
{
time_t tv_sec; /***second***/
susecond_t tv_usec;/***microsecond***/
}
到底microsecond是毫秒仍是微秒？？

1秒＝1000毫秒（3個零），1秒＝1000 000微秒（6個零），1秒＝1000 000 000納秒（9個零），1秒＝1000 000 000 000皮秒（12個零）。
秒用s表現，毫秒用ms,微秒用us表示，納秒用ns表示，皮秒用ps表示，他們的分級單位是千，即每次3個零。
混淆的緣由找到了，因爲毫秒用ms表示，因此我總是覺得microsecond是毫秒，因此就把tv_usec理解錯了。
microsecond查詞霸也是微秒的意思（microsecond！=ms，microsecond==us），看來單位的表示迷惑了我，也迷惑了大多數人，請朋友們牢記這裏，很是重要。

xtime是從cmos電路中取得的時間，通常是從某一歷史時刻開始到如今的時間，也就是爲了取得咱們操做系統上顯示的日期。這個就是所謂的「實時時鐘」，它的精確度是微秒。

jiffies是記錄着從電腦開機到如今總共的時鐘中斷次數。在linux內核中jiffies遠比xtime重要，那麼他取決於系統的頻率，單位是Hz，這裏不得不說一下頻率的單位，1MHz＝1000，000Hz（6個零），1KHz=1000Hz（3個零）.
頻 率是週期的倒數，通常是一秒鐘中斷產生的次數，因此，假如咱們須要知道系統的精確的時間單位時，須要換算了，假如咱們系統的頻率是200Mhz,那麼一次 中斷的間隔是1秒/200,000，000Hz=0.000 000 005秒看一下上面咱們的時間單位，對照一下小數點後面是9個零，因此理論上咱們系統的精確度是5納秒。LINUX系統時鐘頻率是一個常數HZ來決定的， 一般HZ＝100，那麼他的精度度就是10ms（毫秒）。也就是說每10ms一次中斷。因此通常來講Linux的精確度是10毫秒。

硬件給內核提供一個系統定時器用以計算和管理時間，內核經過編程預設系統定時器的頻率，即節拍率（tick rate),每個週期稱做一個tick(節拍）。Linux內核從2.5版內核開始把頻率從100調高到1000，時間單位 jiffies 有多長？

"在 Linux 2.6 中，系統時鐘每 1 毫秒中斷一次（時鐘頻率，用 HZ 宏表示，定義爲 1000，即每秒中斷 1000 次，2.4 中定義爲 100，不少應用程序也仍然沿用 100 的時鐘頻率），這個時間單位稱爲一個 jiffie。"
"jiffies 與絕對時間之間的轉換, 用兩個宏來完成兩種時間單位的互換：JIFFIES_TO_NS()、NS_TO_JIFFIES()"
（固然帶來了不少優勢，也有一些缺點）.

硬件給內核提供一個系統定時器用以計算和管理時間，內核經過編程預設系統定時器的頻率，即節拍率（tick rate),每個週期稱做一個tick(節拍）。Linux內核從2.5版內核開始把頻率從100調高到1000（固然帶來了不少優勢，也有一些缺點）.
   jiffies是內核中的一個全局變量，用來記錄自系統啓動一來產生的節拍數。譬如，若是計算系統運行了多長時間，能夠用 jiffies/tick rate 來計算。jiffies定義在文件<linux/jiffies.h>中：

extern unsigned long volatile jiffies;

 

    能夠利用jiffies設置超時等，譬如：

unsigned long timeout = jiffies + tick_rate * 2; // 2秒鐘後超時

   
    if(time_before(jiffies, timeout){
       // 尚未超時

    }
    else{
       // 已經超時

    }

  
   
內核提供了四個宏來比較節拍計數，這些宏定義在文件<linux/jiffies.h>中：

    time_before(unknown, known)
    time_after(unknown, known)
    time_before_eq(unknown, known)
    time_after_eq(unknown, known)

    比較的時候用這些宏能夠避免jiffies因爲過大形成的迴繞問題。

    除了系統定時器外，還有一個與時間有關的時鐘：實時時鐘（RTC），這是一個硬件時鐘，用來持久存放系統時間，系統關閉後靠主板上的微型電池保持計時。系 統啓動時，內核經過讀取RTC來初始化Wall Time,並存放在xtime變量中，這是RTC最主要的做用。

       ///////////////////////////////////////////////////////////////////網絡相關函 數內容詳解 //////////////////////////////////////////////////////////////////////

 
1.linux HZ

Linux核心幾個重要跟時間有關的名詞或變數，如下將介紹HZ、tick與jiffies。

HZ

Linux 核心每隔固定週期會發出timer interrupt (IRQ 0)，HZ是用來定義每一秒有幾回timer interrupts。舉例來講，HZ爲1000，表明每秒有1000次timer interrupts。 HZ可在編譯核心時設定，以下所示(以核心版本2.6.20-15爲例)：

 

adrian@adrian-desktop:~$ cd /usr/src/linux

adrian@adrian-desktop:/usr/src/linux$ make menuconfig

Processor type and features ---> Timer frequency (250 HZ) --->

其中HZ可設定100、250、300或1000。

小實驗

觀察/proc/interrupt的timer中斷次數，並於一秒後再次觀察其值。理論上，二者應該相差250左右。

adrian@adrian-desktop:~$ cat /proc/interrupts | grep timer && sleep 1 && cat /proc/interrupts | grep timer

0: 9309306 IO-APIC-edge timer

0: 9309562 IO-APIC-edge timer

上面四個欄位分別爲中斷號碼、CPU中斷次數、PIC與裝置名稱。

 

要檢查系統上HZ的值是什麼，就執行命令

cat kernel/.config | grep '^CONFIG_HZ='

2.Tick

Tick是HZ的倒數，意即timer interrupt每發生一次中斷的時間。如HZ爲250時，tick爲4毫秒(millisecond)。

 

3.Jiffies

Jiffies 爲Linux核心變數(unsigned long)，它被用來記錄系統自開機以來，已通過了多少tick。每發生一次timer interrupt，Jiffies變數會被加一。值得注意的是，Jiffies於系統開機時，並不是初始化成零，而是被設爲-300*HZ (arch/i386/kernel/time.c)，即表明系統於開機五分鐘後，jiffies便會溢位。那溢位怎麼辦?事實上，Linux核心定義幾 個macro(timer_after、time_after_eq、time_before與time_before_eq)，即使是溢位，也能借由這 幾個macro正確地取得jiffies的內容。

另外，80x86架構定義一個與jiffies相關的變數jiffies_64 ，此變數64位元，要等到此變數溢位可能要好幾百萬年。所以要等到溢位這刻發生應該很難吧。

 

3.1 jiffies及其溢出

全局變量jiffies取值爲自操做系統啓動以來的時鐘滴答的數目，在頭文件<linux/sched.h>中定義，數據類型爲unsigned long volatile (32位無符號長整型)。

jiffies轉換爲秒可採用公式：(jiffies/HZ)計算，

將秒轉換爲jiffies可採用公式：(seconds*HZ)計算。

當 時鐘中斷髮生時，jiffies 值就加1。所以連續累加一年又四個多月後就會溢出(假定HZ=100，1個jiffies等於1/100秒，jiffies可記錄的最大秒數爲 (2^32 -1)/100=42949672.95秒，約合497天或1.38年)，即當取值到達最大值時繼續加1，就變爲了0。

3.4  Linux內核如何來防止jiffies溢出

Linux內核中提供瞭如下四個宏，可有效解決因爲jiffies溢出而形成程序邏輯出錯的狀況。下面是從Linux Kernel 2.6.7版本中摘取出來的代碼：

/*

* These inlines deal with timer wrapping correctly. You are

* strongly encouraged to use them

* 1. Because people otherwise forget

* 2. Because if the timer wrap changes in future you won't have to

* alter your driver code.

*

* time_after(a,b) returns true if the time a is after time b.

*

* Do this with "<0" and ">=0" to only test the sign of the result. A

* good compiler would generate better code (and a really good compiler

* wouldn't care). Gcc is currently neither.

*/

#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)

#define time_after_eq(a,b) \

(typecheck(unsigned long, a) && \

typecheck(unsigned long, b) && \

((long)(a) - (long)(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，而後才執行實際的比較。

8. 結論

系統中採用jiffies來計算時間，但因爲jiffies溢出可能形成時間比較的錯誤，於是強烈建議在編碼中使用 time_after等宏來比較時間前後關係，這些宏能夠放心使用。

內核時鐘：

內核使用硬件提供的不一樣時鐘來提供依賴於時間的服務，如busy-waiting（浪費CPU週期）和sleep-waiting（放棄CPU）

5.HZ and Jiffies

      jiffies記錄了系統啓動後的滴答數，經常使用的函數：time_before()、 time_after()、time_after_eq()、time_before_eq()。由於jiffies隨時鐘滴答變化，不能用編譯器優化 它，應取volatile值。

 

      32位jiffies變量會在50天后溢出，過小，所以內核提供變量jiffies_64來hold 64位jiffies。該64位的低32位即爲jiffies，在32位機上須要兩天指令來賦值64位數據，不是原子的，所以內核提供函數 get_jiffies_64()。

6.Long Delays

    busy-wait：timebefore(),使CPU忙等待；sleep-wait：shedule_timeout(截至時間)；不管在內核空間還 是用戶空間，都沒有比HZ更精確的控制了，由於時間片都是根據滴答更新的，並且即便定義了您的進程在超過指定時間後運行，調度器也可能根據優先級選擇其餘 進程執行。

    sleep-wait()：wait_event_timeout()用於在知足某個條件或超時後從新執行，msleep()睡眠指定的ms後從新進入就緒隊列，這些長延遲僅適用於進程上下文，在中斷上下文中不能睡眠也不能長時間busy-waiting。

內核提供了timer API來在必定時間後執行某個函數：

#include <linux/timer.h>

struct timer_list my_timer;

init_timer(&my_timer);            /* Also see setup_timer() */

my_timer.expire = jiffies + n*HZ; /* n is the timeout in number                                    of seconds */

my_timer.function = timer_func;   /* Function to execute

                                     after n seconds */

my_timer.data = func_parameter;   /* Parameter to be passed                                   to timer_func */

add_timer(&my_timer);                /*Start the timer*/

若是您想週期性執行上述代碼，那麼把它們加入timer_func()函數。您使用mod_timer()來改變my_timer的超時值，del_timer()來刪掉my_timer，用timer_pending()查看是否my_timer處於掛起狀態。

    用戶空間函數clock_settime()和clock_gettime()用於獲取內核時鐘服務。用戶應用程序使用setitimer()和getitimer()來控制alarm信號的傳遞當指定超時發生後。

8.Real Time Clock

     RTC時鐘track絕對時間。RTC電池常超過computer生存期。能夠用RTC完成如下功能：（1）讀或設置絕對時鐘，並在clock updates時產生中斷；（2）以2HZ到8192HZ來產生週期性中斷；（3）設置alarms。

    jiffies僅是相對於系統啓動的相對時間，若是想獲取absolute time或wall time，則須要使用RTC，內核用變量xtime來記錄，當系統啓動時，讀取RTC並記錄在xtime中，當系統halt時，則將wall time寫回RTC，函數do_gettimeofday()來讀取wall time。

#include <linux/time.h>

static struct timeval curr_time;

do_gettimeofday(&curr_time);

my_timestamp = cpu_to_le32(curr_time.tv_sec); /* Record timestamp */

    用戶空間獲取wall time的函數：time()返回calendar time或從00：00：00 on January 1，1970的秒數；（2）localtime()：返回calendar time in broken-down format；（3）mktime()：與 localtime()相反；（4）gettimeofday()以microsecond 精確度返回calendar時間。

    另一個獲取RTC的方法是經過字符設備/dev/rtc，一個時刻僅容許一個處理器訪問它。

9. 時鐘和定時器

時鐘和定時器對Linux內核來講十分重要。首先，內核要管理系統的運行時間(uptime)和當前牆上時間(wall time)， 即當前實際時間。其次，內核中大量的活動由時間驅動。

9.1實時時鐘

    內核必須藉助硬件來實現時間管理。實時時鐘是用來持久存放系統時間的設備，它經過主板電池供電，因此即使在關閉計算機系統以後，實時時鐘仍然能繼續工做。

    系統啓動時，內核讀取實時時鐘，將所讀的時間存放在變量xtime中做爲牆上時間(wall time)，xtime保存着從1970年1月1日0:00到當前時刻所經歷的秒數。雖然在Intel x86機器上，內核會週期性地將當前時間存回實時時鐘中，但應該明確，實時時鐘的主要做用就是在啓動時初始化牆上時間xtime。

9.2系統定時器與動態定時器

    週期性發生的事件都是由系統定時器驅動。在X86體系結構上，系統定時器一般是一種可編程硬件芯片，其產生的中斷就是時鐘中斷。時鐘中斷對應的處理程序負 責更新系統時間和執行週期性運行的任務。系統定時器的頻率稱爲節拍率(tick rate)，在內核中表示爲HZ。

    以X86爲例，在2.4以前的內核中其大小爲100； 從內核2.6開始，HZ = 1000， 也就是說每秒時鐘中斷髮生1000次。這一變化使得系統定時器的精度(resolution)由10ms提升到1ms，這大大提升了系統對於時間驅動事件 調度的精確性。過於頻繁的時鐘中斷不可避免地增長了系統開銷。

    與系統定時器相對的是動態定時器，它是調度事件(執行調度程序)在將來某個時刻發生的時機。內核能夠動態地建立或銷燬動態定時器。

    系統定時器及其中斷處理程序是內核管理機制的中樞，下面是一些利用系統定時器週期執行的工做(中斷處理程序所作的工做):

    (1) 更新系統運行時間(uptime)

    (2) 更新當前牆上時間(wall time)

    (3) 在對稱多處理器系統(SMP)上，均衡調度各處理器上的運行隊列

    (4) 檢查當前進程是否用完了時間片(time slice)，若是用盡，則進行從新調度

    (5) 運行超時的動態定時器

    (6) 更新資源耗盡和處理器時間的統計值

    內核動態定時器依賴於系統時鐘中斷，由於只有在系統時鐘中斷髮生後內核纔會去檢查當前是否有超時的動態定時器。

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    X86體系結構中，內核2.6.X的HZ = 1000， 即系統時鐘中斷執行粒度爲1ms，這意味着系統中週期事情最快爲1ms執行一次，而不可能有更高的精度。動態定時器隨時均可能超時，但因爲只有在系統時鐘 中斷到來時內核纔會檢查執行超時的動態定時器，因此動態定時器的平均偏差大約爲半個系統時鐘週期(即0.5ms).