kernel笔记——定时器与时间管理

内核中时钟主要完成以下作用：

• 记录系统运行时间
• 完成时间相关的统计功能，如cpu占用率等
• 定时功能，设定某个进程一段时间后完成某项任务 

为实现以上功能，硬件以及内核提供了不同类型的时钟。

RTC

实时时钟(real time clock,RTC)，又叫硬件时钟、墙上时钟。RTC记录的是00:00:00 GMT,1 January 1970到当前经历的时间。

开机时，内核读取RTC时间，关机时内核更新RTC时间，系统运行的过程中不操作RTC。关机后依靠RTC记录时间，其由主板上的电池供电。

内核读取到的RTC时间，保存在xtime变量中，xtime是timespec结构类型的变量，在中定义：

struct timespec {
__kernel_time_t tv_sec; /* seconds */
long tv_nsec;           /* nanoseconds */
};

从结构定义中可以看到，xtime精度为纳秒。每次时钟中断触发时，中断处理函数将调用update_wall_time函数更新xtime。

c库中的gettimeofday/settimeofday，就是基于xtime，获取或设置基准时间(00:00:00 GMT,1 January 1970)到当前的时间间隔。

RTC设备在linux中用/dev/rtc表示，可以通过hwclock查询RTC时间、将RTC时间与系统时间相互同步。

定时器

周期性发生的事件由定时器(timer)触发，定时器是PIT(programmable interval timer)或TSC(time stamp counter)或其他类型的硬件芯片，时钟中断由定时器产生。

一个定时器对应于一个时钟源，时钟源在内核中由clocksource结构表示，该结构定义了时钟源名称、读取时钟源方法、开启/关闭时钟源方法等内容。

一个时钟事件由clock_event_device结构表示，该结构包含了时钟事件名称、时钟时间处理方法(event_handler)等字段。

时钟中断发生的时间间隔称为节拍(tick)，节拍在内核编译阶段设定：

linux # zcat /proc/config.gz | grep CONFIG_HZ
CONFIG_HZ_250=y
CONFIG_HZ=250

以上设定节拍为250HZ，即每4ms发生一次时钟中断，每秒发生250次。jiffies是一个全局变量，它记录了自系统启动以来产生的节拍数。

每个cpu有各自的定时器，本地时钟中断发生时，由中断处理函数完成更新进程时间片、计算进程用户用时/系统用时等任务。update_process_times函数在本地时钟中断发生时被调用，该函数调用account_process_tick更新进程的用户态/内核态占用率，调用run_local_timers执行软时间中断，调用scheduler_tick更新当前进程的时间片。

单次触发

相比时钟中断提供4ms的计时精度，单次触发(one-shot)时钟提供更高的定时器精度。

高精度的时间由hrtimer结构表示，nanosleep函数的底层实现就用到了hrtimer以及相关操作函数。系统调用nanosleep的实现如下：SYSCALL_DEFINE2(nanosleep, …) -> hrtimer_nanosleep() -> do_nanosleep() -> hrtimer_start_expires()。超时的hrtimer事件由hrtimer_wakeup处理，hrtimer_wakeup调用wake_up_process唤醒相应进程。

suse11相比suse10提供了这种单次触发的时钟，由于其时间精度更高，poll、select、sleep等调用超时返回的频率更高，而cpu占用率、进程资源占用率等统计数据变得更精确。

以下为suse11、suse10下usleep命令对比的例子，在两个系统上执行strace -Ttt usleep 1，跟踪输出中与usleep对应的系统调用如下：

//suse11
11:38:44.836889 nanosleep({0, 1000}, {0, 0}) = 0 <0.000061>
11:38:44.836986 exit_group(0) = ?
//suse10
05:41:21.406039 nanosleep({0, 1000}, NULL) = 0 <0.000738>
05:41:21.406838 exit_group(0) = ?

从以上对比例子可看出，同样调用usleep休眠1微秒，suse11下usleep实际执行效果更接近1微秒设定值。

clockchips.h文件中定义了定时器事件与单次触发事件相应的宏：

#define CLOCK_EVT_FEAT_PERIODIC 0x000001
#define CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT 0x000002

Reference: Chapter 11 - Timers and Time Management, Linux kernel development.3rd.Edition