linux系統(tǒng)里的時(shí)間
通常，linux操作系統(tǒng)可以使用三種方法來表示系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間與日期：
①最簡單的一種方法就是直接用一個(gè)64位的計(jì)數(shù)器來對(duì)時(shí)鐘滴答進(jìn)行計(jì)數(shù)。
②第二種方法就是用一個(gè)32位計(jì)數(shù)器來對(duì)秒進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)還用一個(gè)32位的輔助計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘滴答計(jì)數(shù)，之子累積到一秒為止。因?yàn)?32超過136年，因此這種方法直至22世紀(jì)都可以讓系統(tǒng)工作得很好。
③第三種方法也是按時(shí)鐘滴答進(jìn)行計(jì)數(shù)，但是是相對(duì)于系統(tǒng)啟動(dòng)以來的滴答次數(shù)，而不是相對(duì)于相對(duì)于某個(gè)確定的外部時(shí)刻；當(dāng)讀外部后備時(shí)鐘（如RTC）或用戶輸入實(shí)際時(shí)間時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的滴答次數(shù)計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間。
UNIX類操作系統(tǒng)通常都采用第三種方法來維護(hù)系統(tǒng)的時(shí)間與日期。
1 基本概念
首先，有必要明確一些Linux內(nèi)核時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)中的基本概念。
（1）時(shí)鐘周期（clock cycle）的頻率：8253／8254 PIT的本質(zhì)就是對(duì)由晶體振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，晶體振蕩器在1秒時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)就是時(shí)鐘周期的頻率。
Linux用宏CLOCK_TICK_RATE來表示8254 PIT的輸入時(shí)鐘脈沖的頻率（在PC機(jī)中這個(gè)值通常是1193180HZ），該宏定義在include/asm-i386/timex.h頭文件中：
- #define CLOCK_TICK_RATE 1193180 /* Underlying HZ */
（2）時(shí)鐘滴答（clock tick）：我們知道，當(dāng)PIT通道0的計(jì)數(shù)器減到0值時(shí)，它就在IRQ0上產(chǎn)生一次時(shí)鐘中斷，也即一次時(shí)鐘滴答。PIT通道0的計(jì)數(shù)器的初始值決定了要過多少時(shí)鐘周期才產(chǎn)生一次時(shí)鐘中斷，因此也就決定了一次時(shí)鐘滴答的時(shí)間間隔長度。
（3）時(shí)鐘滴答的頻率（HZ）：也即1秒時(shí)間內(nèi)PIT所產(chǎn)生的時(shí)鐘滴答次數(shù)。類似地，這個(gè)值也是由PIT通道0的計(jì)數(shù)器初值決定的（反過來說， 確定了時(shí)鐘滴答的頻率值后也就可以確定8254 PIT通道0的計(jì)數(shù)器初值）。Linux內(nèi)核用宏HZ來表示時(shí)鐘滴答的頻率，而且在不同的平臺(tái)上HZ有不同的定義值。對(duì)于ALPHA和IA62平臺(tái)HZ的 值是1024，對(duì)于SPARC、MIPS、ARM和i386等平臺(tái)HZ的值都是100。該宏在i386平臺(tái)上的定義如下（include/asm- i386/param.h）：
- #ifndef HZ
- #define HZ 100
- #endif
根據(jù)HZ的值，我們也可以知道一次時(shí)鐘滴答的具體時(shí)間間隔應(yīng)該是（1000ms／HZ）＝10ms。
（4）時(shí)鐘滴答的時(shí)間間隔：Linux用全局變量tick來表示時(shí)鐘滴答的時(shí)間間隔長度，該變量定義在kernel/timer.c文件中，如下：
long tick = (1000000 + HZ/2) / HZ; /* timer interrupt period */
tick變量的單位是微妙（μs），由于在不同平臺(tái)上宏HZ的值會(huì)有所不同，因此方程式tick＝1000000÷HZ的結(jié)果可能會(huì)是個(gè)小數(shù)， 因此將其進(jìn)行四舍五入成一個(gè)整數(shù)，所以Linux將tick定義成（1000000＋HZ／2）／HZ，其中被除數(shù)表達(dá)式中的HZ／2的作用就是用來將 tick值向上圓整成一個(gè)整型數(shù)。
另外，Linux還用宏TICK_SIZE來作為tick變量的引用別名（alias），其定義如下（arch／i386/kernel/time.c）：
- #define TICK_SIZE tick
（5）宏LATCH：Linux用宏LATCH來定義要寫到PIT通道0的計(jì)數(shù)器中的值，它表示PIT將沒隔多少個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生一次時(shí)鐘中斷。顯然LATCH應(yīng)該由下列公式計(jì)算：
LATCH＝（1秒之內(nèi)的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)）÷（1秒之內(nèi)的時(shí)鐘中斷次數(shù)）＝（CLOCK_TICK_RATE）÷（HZ）
類似地，上述公式的結(jié)果可能會(huì)是個(gè)小數(shù)，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行四舍五入。所以，Linux將LATCH定義為（include/linux/timex.h）：
- /* LATCH is used in the interval timer and ftape setup. */
- #define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* For divider */
類似地，被除數(shù)表達(dá)式中的HZ／2也是用來將LATCH向上圓整成一個(gè)整數(shù)。
2 表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
作為一種UNIX類操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核顯然采用本節(jié)一開始所述的第三種方法來表示系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間。Linux內(nèi)核在表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間時(shí)用到了三個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
①全局變量jiffies：這是一個(gè)32位的無符號(hào)整數(shù)，用來表示自內(nèi)核上一次啟動(dòng)以來的時(shí)鐘滴答次數(shù)。每發(fā)生一次時(shí)鐘滴答，內(nèi)核的時(shí)鐘中斷處 理函數(shù)timer_interrupt（）都要將該全局變量jiffies加1。該變量定義在kernel/timer.c源文件中，如下所示：
- unsigned long volatile jiffies;
C語言限定符volatile表示jiffies是一個(gè)易該變的變量，因此編譯器將使對(duì)該變量的訪問從不通過CPU內(nèi)部cache來進(jìn)行。
②全局變量xtime：它是一個(gè)timeval結(jié)構(gòu)類型的變量，用來表示當(dāng)前時(shí)間距UNIX時(shí)間基準(zhǔn)1970－01－01 00：00：00的相對(duì)秒數(shù)值。結(jié)構(gòu)timeval是Linux內(nèi)核表示時(shí)間的一種格式（Linux內(nèi)核對(duì)時(shí)間的表示有多種格式，每種格式都有不同的時(shí)間 精度），其時(shí)間精度是微秒。該結(jié)構(gòu)是內(nèi)核表示時(shí)間時(shí)最常用的一種格式，它定義在頭文件include/linux/time.h中，如下所示：
- struct timeval {
- time_t tv_sec; /* seconds */
- suseconds_t tv_usec; /* microseconds */
- };
其中，成員tv_sec表示當(dāng)前時(shí)間距UNIX時(shí)間基準(zhǔn)的秒數(shù)值，而成員tv_usec則表示一秒之內(nèi)的微秒值，且1000000>tv_usec>＝0。
Linux內(nèi)核通過timeval結(jié)構(gòu)類型的全局變量xtime來維持當(dāng)前時(shí)間，該變量定義在kernel/timer.c文件中，如下所示：
- /* The current time */
- volatile struct timeval xtime __attribute__ ((aligned (16)));
但是，全局變量xtime所維持的當(dāng)前時(shí)間通常是供用戶來檢索和設(shè)置的，而其他內(nèi)核模塊通常很少使用它（其他內(nèi)核模塊用得最多的是 jiffies），因此對(duì)xtime的更新并不是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)，所以這一工作通常被延遲到時(shí)鐘中斷的底半部分（bottom half）中來進(jìn)行。由于bottom half的執(zhí)行時(shí)間帶有不確定性，因此為了記住內(nèi)核上一次更新xtime是什么時(shí)候，Linux內(nèi)核定義了一個(gè)類似于jiffies的全局變量 wall_jiffies，來保存內(nèi)核上一次更新xtime時(shí)的jiffies值。時(shí)鐘中斷的底半部分每一次更新xtime的時(shí)侯都會(huì)將 wall_jiffies更新為當(dāng)時(shí)的jiffies值。全局變量wall_jiffies定義在kernel/timer.c文件中：
/* jiffies at the most recent update of wall time */
unsigned long wall_jiffies;
③全局變量sys_tz：它是一個(gè)timezone結(jié)構(gòu)類型的全局變量，表示系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)區(qū)信息。結(jié)構(gòu)類型timezone定義在include/linux/time.h頭文件中，如下所示：
- struct timezone {
- int tz_minuteswest; /* minutes west of Greenwich */
- int tz_dsttime; /* type of dst correction */
- };
基于上述結(jié)構(gòu)，Linux在kernel/time.c文件中定義了全局變量sys_tz表示系統(tǒng)當(dāng)前所處的時(shí)區(qū)信息，如下所示：
- struct timezone sys_tz;
通過對(duì)上面文章的了解，大家對(duì)Linux系統(tǒng)下的時(shí)間管理有了深一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)Linux系統(tǒng)下時(shí)間的構(gòu)成和運(yùn)行有了自己的心得。
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