Linux内核时钟系统技术内幕

最新推荐文章于 2024-11-21 09:59:30 发布

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文章标签： linux 运维嵌入式硬件服务器操作系统开源

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/whh_bjqy/article/details/143503508

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介绍

Linux 操作系统在现代计算机系统中扮演着重要的角色，其核心功能之一是准确可靠的时间管理。时钟系统在操作系统中用于管理时间戳、调度任务和同步分布式系统等方面。在 Linux 中，时钟管理机制设计复杂，包含了多种类型的时钟、定时器和硬件接口，确保系统能够精确、稳定地维护和调整时间。本文将深入剖析 Linux 内核时钟系统的各个方面，包括其内部机制、常见类型、同步方式以及如何在 Linux 应用程序中正确使用。

Linux 时钟的基本概念

Linux 操作系统中包含多个概念不同的时钟，包括系统时钟、硬件时钟和高精度时钟等。

系统时钟 (System Clock)：指操作系统维护的当前时间，它是用户态应用程序获取时间的主要来源。系统时钟的计时通常基于 CPU 时钟频率。

硬件时钟 (Hardware Clock)：也称为实时时钟 (RTC, Real-Time Clock)，是主板上独立的计时器，通常包含一块备用电池，可以在关机时继续计时。硬件时钟用于在系统启动时设置系统时间。

高精度时钟 (High-Resolution Timers)：一些应用（如多媒体和实时应用）需要高精度的计时。Linux 提供了 hrtimers（高精度定时器）来支持毫秒级、甚至更高精度的计时。

定时器中断（Timer Interrupt）：内核通常使用定时器中断来跟踪时间间隔（通常用于服务应用程序调用的各种定时器），定时器中断由系统的定时器硬件在预定义的周期内生成，由变量HZ设置。此变量定义在根据 HZ 的值（可以在内核构建时设置），系统支持的基本最小计时器值（基本时钟中断频率）可以改变（默认为 10 毫秒）。

时钟滴答（jiffies）：时钟滴答是内核维护的一个内部系统变量，用于存储自系统开机（启动）以来的时钟滴答数。它在 <linux/schedule.h> 中定义。

内核定时器（kernel timers）：定时器是一种确保任何模块中时间关键功能的机制。对于任务需要检查缓冲区或需要在特定时间段（无论是周期性还是离散性）后轮询任何设备的情况，必须有一种机制在特定间隔结束时通知任务，以便任务可以自由地完成其正常工作过程，而无需打扰或等待通知的到来。计时器过程用于满足任何应用程序中的此类需求。

内核定时器以双向链接列表的形式组织，其中前向指针和后向指针均在运行。定时器的特征在于其到期值、标识标签（名称、所属进程和其他数据）以及定时器到期时调用的函数（处理程序）。定时器的数据结构如下所示（#<linux/timer.h>）

定时器列表结构

{

struct timer_list *next; //指向列表中下一个定时器的指针

struct timer_list *prev; //指向列表中前一个定时器的指针

unsigned long expires; // jiffies 中的超时值

无符号长整型数据；//处理程序的参数

void (*function) (unsigned long); //处理函数

volatile int running; //表示节点状态的标志

};

当timer->expires>=jiffies时，将调用定时器处理程序。一旦timer_list结构初始化，add_timer()就会将其插入到定期轮询的排序列表中。下面给出了所有内核定时器 API：

void init_timer (struct timer_list* timer); 此函数初始化新分配的定时器。

void add_timer (struct timer_list* timer); 此函数将新分配的计时器插入到活动计时器的全局列表中。

void mod_timer (struct timer_list* timer, unsigned long expires); 此函数用于修改活动计时器的值。

int del_timer (struct timer_list* timer); 该函数从活动定时器列表中删除指定的定时器。

Linux内核的时钟管理机制

Linux 内核的时间管理机制由时钟源（Clock Source）、时钟事件（Clock Event）和时间保持（Timekeeping）三个子系统组成。

时钟源 (Clock Source)：Linux 支持多种时钟源来记录时间，包括 TSC（时间戳计数器）、HPET（高精度事件定时器）和 ACPI PM（高级配置与电源管理）。系统在启动时选择最适合的时钟源，以确保精确性和性能。

时钟事件 (Clock Event)：负责处理时钟中断的模块。内核中的时钟事件驱动可基于硬件定时器，如 APIC 定时器和 HPET，来产生周期性中断，用于触发定时任务。

时间保持 (Timekeeping)：内核通过 Timekeeping 模块来维护系统时钟。该模块的主要任务是记录经过的时间、管理系统时间，并确保多核系统中各处理器间的时间一致性。

图1 Linux内核时间保持机制原理

Linux内核时间保持机制在kernel/time/timekeeping.c中实现。在timekeeping.c中，为了减轻操作系统的运算开销，以及抵抗不可屏蔽中断等的干扰，Linux采用了序列计数的方法保护时钟变量的更新，例如：在函数ktime_get_real_ts64中的序列计数保护：

823 do {

824 seq = read_seqcount_begin(&tk_core.seq);

825

826 ts->tv_sec = tk->xtime_sec;

827 nsecs = timekeeping_get_ns(&tk->tkr_mono);

828

829 } while (read_seqcount_retry(&tk_core.seq, seq));

第829行会比较之前取得的seq值和tk_core.seq，如果不同，则表明更新者对时钟变量进行了更新，那么就需要重新进行读取。

高精度定时器（High-Resolution Timers，hrtimers）是 Linux 内核提供的一种高精度计时机制。传统的 jiffies 定时器只能提供低于系统时钟频率的精度，而 hrtimers 则能提供亚毫秒级的精度，因此在实时系统和高频交易等领域有广泛应用。

图2 Linux高精度时钟实现原理

图2给出了Linux高精度时钟实现原理：Linux系统在当前高精度时钟到期后，首先进行回调，然后计算最近一个到期的时钟（在红黑树中维护）的到期时间，并以此对时钟源进行设置，如此不断进行下去。

总结

Linux内核的时钟系统是一个复杂的结构，由多个组件协同工作，以实现精确的时间管理和调度。时钟源（Clock Source）用于提供当前系统时间的基础。每个时钟源会根据硬件计时器的频率提供一个时间基准，常见的时钟源有TSC（时间戳计数器）、HPET（高精度事件计时器）等。系统根据不同的精确性和需求选择适合的时钟源。时钟事件（Clock Events）驱动系统定时任务，例如内核调度、定时中断等。时钟事件是通过硬件计时器（如APIC、PIT等）触发的，能够以周期性或单次模式向内核发送中断信号，用于执行调度任务或唤醒进程。时钟（Clock）负责周期性产生系统心跳（jiffies），这些心跳用来触发系统的定时事件。定时器（Timer）主要用于用户态和内核态的时间延迟请求，基于时钟的心跳，在指定的时间后执行特定的任务。时间管理（Timekeeping）负责记录和跟踪系统的当前时间，并提供面向用户的时间表示，例如系统启动时间、当前时间、定时器延迟等。timekeeping模块结合了时钟源的数据，并根据不同的校正机制（如NTP）保持时间的精确性。传统的Linux内核使用固定频率的周期性时钟中断，称为“tick-based”。高分辨率时钟（hrtimer）的引入使得内核可以在需要时才触发时钟中断（“tickless”模式），减少了CPU的中断负载，提高了低负载时的电源效率。