Linux時間子系統之(一)：時間的基本概念

作者：linuxer 發布于：2014-12-23 12:22

分類：時間子系統

本文使用Q & A的方式來和大家以前探討一下時間的基本概念

一、什么是時間？

這個問題實在是太復雜了，我都不知道這是一個物理學、宇宙學、還是熱力學異或是哲學問題，我只是想從幾個側面來了解一下時間這個概念。本節內容都是我坐在公交車上瞎想的，對物理學有興趣的人可以指出我的錯誤(一個搞linux kernel的人不會有太深刻的物理學知識的)，對Linux時間子系統有興趣的人還是忽略這個小節吧。

1、時間和空間以及相對性

有沒有絕對時間的概念呢？時間是否是獨立于一切存在的呢？相信有絕對時間的存在比較符合人類的思維，也就是說，有一根絕對時間軸存在，任何事件都可以投射在這個時間軸的某個點上，不論觀察者處于什么狀態，大家共享一個絕對的時間軸。在這樣的時間框架下，同時的概念是絕對的，只要發生在時間軸的同一點上，那么兩個事件就是同時發生。如果兩個事件不同時發生，那么他們之間的間隔也是絕對的，所有感知到的時間間隔都是相同的。與之相對的是絕對空間的概念。任何事件發生的地點都可以對應到絕對空間中的一個位置點，兩個位置點的長度是絕對的，任何觀察者測量的結果都是一樣的，無論觀察者處于什么樣的狀態。

當然，了解狹義相對論的同學應該是可以建立起來自己的時空觀，其實沒有絕對的時間和空間(時間和空間是相對的而且是有關聯的，組成四維時空)，同時是相對的(相對于自己的參考系)，事件A和事件B先后發生，位于不同的慣性參考系的觀察者可以不同的觀測結果，可能一個認為A和B相關1秒，而另外一個慣性參考系的人認為A和B之間相隔1.2秒。當然，我們研究linux kernel中的時間子系統，這里的參考系不可能是以光速級別在運動，因此傳統的牛頓的時空觀也是OK的，它是愛因斯坦時空觀的一個特例。

2、時間的方向

時間有沒有起點和終點？時間的箭頭指向何方？什么是現在？什么是未來？時間是不是可逆的？有沒有可能穿越？

根據熱力學第二定律，對于一個孤立系統，其內部自發進行的與熱相關的過程必然向熵增的方向進行。一個孤立系統如果不受外界任何影響，且系統最終處于平衡態，那么在平衡態時，系統的熵取最大值。從這個角度看，時間的方向就是熵增的方向，并且是不可逆的。

此外，當時間沿著它的方向流動的時候，是連續的，還是有一個基本的單位，一份一份的流動？我想如果能量的交換(熱交換)是一份一份的，那么時間也是離散的。

3、感知時間

時間是和變化相關的，如果一切處于靜止態，沒有位移、沒有能量的變化，那么時間還有存在的意義嗎？物體從一個位置A移動到了另外一個位置B，觀察者通過感知位置的變化來感知時間，判斷事件的先后順序。當一切處于靜止狀態，沒有任何的運動，各種恒星和行星都處于靜止態，電子不再圍繞原子核進行高速運動，宇宙中的所有的系統沒有能量的交換，那么時間也就停止了，或者說不存在了。本質上，宇宙的狀態和時間軸應該是一一對應的，如果宇宙的狀態只有一種，那么時間軸就停止在一個點上，不再流動了。

二、度量時間

1、如何定義秒？

在定義秒這個術語的時候是有兩個標準的：

(1)以銫133的振蕩頻率來定義秒。

(2)依據地球自轉和公轉來定義秒。

毫無疑問，第二種方法是符合人類習慣的，大家已經習慣了一天24個小時，每個小時60分鐘，一分鐘包括60秒數。我們可以用平均太陽日的1/86400來定義，也可以用繞太陽軌道公轉一年的時間來定義秒，但是這種基于天體運動而定義的秒其實是不精準的，因為地球的自轉和公轉的時間不是一個恒定的值。由此，以銫133的振蕩頻率這樣的物理屬性來定義秒實際上可以賦予秒一個恒定的時間長度。

對于linux kernel而言，它采用了第一種定義的秒，并且參考點(linux epoch)也是UTC時間，UTC這個時間標準就是采用第一種方式來定義時間的。歷史上，POSIX標準曾經將時間參考點設定為1970年1月1日0點0分0秒(GMT)，GMT就是采用第二種方法定義時間的，后面修正為UTC時間。

定義了秒之后，我們可以進一步細分為毫秒、微秒、納秒等，也可以組織成分鐘、小時、日、月、年等概念。

2、如何處理閏秒(leap seconds)？

正是因為UTC時間和我們日常使用的日歷時間有差異，因此才有閏秒(leap second)這個概念。雖然你UTC時間使用嚴格的定義，使用原子鐘作為參考，秒的概念被精準的定義，但是，它還是要向現實低頭，因為廣大人民群眾喜聞樂見的是和地球自轉和公轉相關的日歷時間。為了讓UTC時間和人民群眾的日歷時間保持一致，在適當的時間點(誤差累積到1秒的時候)對UTC時間進行增加或者減少一秒的的操作，這就是閏秒的概念了。

由于目前地球的自轉一直在變慢，因此我們的日歷時間(GMT)是在變長的，因此目前的閏秒調整都是+1秒的操作。未來是否地球自轉會變快，誰知道呢？

對于linux kernel而言，雖然epoch是UTC時間，不過內核不考慮閏秒問題。對于一個天文學意義上的較短的時間段(例如15個月)UTC和GMT是基本相同的，大部分的應用其實也基本是可以正常工作的。對這個問題的解決來自具體的應用場景和系統實現，內核只是支持了NTP協議，可以和外部的時間服務器進行同步，而外部的那些時間同步服務器都是支持UTC的，讓它們去考慮閏秒吧，linux kernel只需要保持和它們同步就OK了。

3、如何處理閏年

科學必須用來指導人類的生產和生活，否則就沒有意義了。在精確定義了時間的度量后，我們可以用科學的方法來組織時間。例如：地球繞太陽公轉的周期是365天6小時9分鐘10秒(或者說365.2564天)。不是整數天則需要特別處理，例如：考慮平年365天，閏年366天，每四年有一個閏年。如果這樣的話，0.2564 x 4 = 1.0256，也就是說，這樣的處理就多算了0.0256天，怎么辦？累積長了也是一個不小的誤差。根據計算，每100次閏年計算(周期400年)，就多了2.56天，因此，定義在能被100整除的年份中(如果計算周期是400年，那么有4個這樣的年份)，選取3個不進行閏年，只有能被400整除的年份才閏年。這樣計算的結果就是每400年就少算了0.44天，這樣的計算可以無窮無盡計算下去。

4、如何定義基準？

時間有絕對和相對的概念。例如1小時候我們就去吃飯。這里就是一個相對時間的概念，1小時是相對當前時間點而言。1949年10月1日，中華人民共和國成立，這里的時間就是絕對時間。當然，實際上，這里的絕對時間也是相對時間，只不過所有地球上的人都使用同一個基準點的時候，這個時間表示就是一個普遍適用的絕對時間了。

對于一個系統而言，需要定義一個epoch，所有的時間表示是基于這個基準點的，對于linux而言，采用了和unix epoch一樣的時間點：1970年1月1日0點0分0秒(UTC)。NTP協議使用的基準點是：1900年1月1日0點0分0秒(UTC)。GPS系統使用的基準點是：1980年1月6日0點0分0秒(UTC)。每個系統都可以根據自己的邏輯定義自己epoch，例如unix epoch的基準點是因為unix操作系統是在1970年左右成型的。

三、Linux kernel中和時間相關的基本概念

1、系統時鐘(system clock)

我們在之前的文章中說過，時間就像是一條沒有起點、沒有終點的線段，除了要給出度量單位(例如：秒)，還有給出參考點。對于linux kernel而言，這個參考點就是Linux Epoch。所謂linux Epoch其實就是1970年1月1日0點0分0秒(UTC)的時間點。雖然人類喜歡年、月、日、時、分、秒這些概念，不過對于計算機，更喜歡使用當前的時間點到linux epoch的秒數。一個符合POSIX標準的系統必須提供系統時鐘，以不小于秒的精度來記錄到linux epoch的時間值。

內核支持的system clock定義如下：

#define CLOCK_REALTIME??????????? 0

#define CLOCK_MONOTONIC??????????? 1

……

CLOCK_REALTIME是描述真實世界的時鐘(這里的英文realtime有兩個意思，一個表示真實的時間的意思，另外一個是實時性的意思，其實不止中文有歧義，英文也是一樣的，需要根據上下文判斷，我們這個場景當然不是講實時性)，就類似掛在墻上的鐘表一樣，告知人類當前的時間。當然，家里的鐘表你當然可以按照你的意愿向前或者向后調整。CLOCK_MONOTONIC是一個禁止人為設定的真實世界的時鐘，你沒有辦法設定它，但是可以通過NTP協議進行調整。更多的system clock ID會在后續的文章中給出詳細定義

2、 broken-down POSIX time

在time line上以linux epoch為參考點，用到參考點的秒數來表示timeline上的某個時間點的方法對于計算機而言當然是方便的，不過對于使用計算機的人類而言，我們更習慣broken-down time，也就是將那個冰冷的到參考點的秒數值分解成年月日時分秒。在內核中用下面的數據結構表示(注釋非常詳細，這里不再贅述)：

struct tm {

/*

* the number of seconds after the minute, normally in the range

* 0 to 59, but can be up to 60 to allow for leap seconds

*/

int tm_sec;

/* the number of minutes after the hour, in the range 0 to 59*/

int tm_min;

/* the number of hours past midnight, in the range 0 to 23 */

int tm_hour;

/* the day of the month, in the range 1 to 31 */

int tm_mday;

/* the number of months since January, in the range 0 to 11 */

int tm_mon;

/* the number of years since 1900 */ －－－－－以NTP epoch為基準點

long tm_year;

/* the number of days since Sunday, in the range 0 to 6 */

int tm_wday;

/* the number of days since January 1, in the range 0 to 365 */

int tm_yday;

};

3、不同精度的時間表示

傳統的unix使用了基于秒的時間定義，相關的數據結構是time_t：

typedef long??????? time_t;

time_t是POSIX標準定義的一個以秒計的時間值。例如大家都比較熟悉的time函數，可以獲取一個從linux Epoch到當前時間點的秒值，該函數的返回值類型就是time_t的。如果time_t被實現成一個signed 32-bit integer，那么實際上在2038年的時候就會有溢出問題。

隨著應用的發展，秒精度已經無法滿足要求，因此出現了微秒精度的時間表示：

struct timeval {

time_t??????? tv_sec;??????? /* seconds */

suseconds_t??? tv_usec;??? /* microseconds */

};

struct timeval 的概念和time_t是一樣的，只不過多了一個微秒的成員，將時間的精度推進到微秒級別。在計算當前時刻到epoch時間點的微秒數值的時候可以使用公式：tv_sec x 10^6 + tv_usec。

由于實時應用程序的需求，POSIX標準最終將時間精度推進到納秒，納秒精度的時間表示如下：

struct timespec {

time_t??? tv_sec;??????????? /* seconds */

long??????? tv_nsec;??????? /* nanoseconds */

};

根據POSIX標準，timeline上一個時間點的值用struct timespec來表示，它應該最少包括：

成員數據類型

成員的名字

描述

time_t

tv_sec

該時間點上的秒值，僅在大于或者等于0的時候有效。

long

tv_nsec

該時間點上的ns值，僅在大于或者等于0，并且小于10^9納秒的時候有效。

struct timespec和struct timeval概念類似，這里不再贅述。

原創文章，轉發請注明出處。蝸窩科技

評論：

2021-02-15 12:19

為你的這句話點贊

2021-02-15 12:21

@張連聘Linc Zhang：經濟基礎決定上層建筑，相信我，騷年，大膽的、勇敢的、奮不顧身的去掙錢混飯吃吧，但有一點，為自己的理想保留一個空間，有空就去打掃它，給它澆澆水，施施肥，等到經濟基礎打好了，我們再更加大膽的、勇敢的、奮不顧身的去追求內心的愉悅.......

2021-02-15 12:18

為你的這句話點贊。

wakawaka

2017-07-26 10:02

你好，我最近在一個APP上設置時區，用C++寫的，但是不知道怎么解析linux中的時區文件，通過時區換算當前時間，有沒有相關的庫介紹

2017-05-17 13:45

老板，你好。

文中有“如果time_t被實現成一個signed 32-bit integer，那么實際上在2038年的時候就會有溢出問題”，我想請問2038年是怎么算出來的，我按32無符號算才136年呢？

2017-05-17 15:02

@江南書生：有符號的32bit的整數最大值是0x7fffffff，而一年等于多少秒呢？等于365 x 24 x 3600，這兩個數相除等于68，而linux epoch從1970年開始，1970 ＋ 68 ＝ 2038

2017-05-17 15:04

@linuxer：明白了，看錯了，嘿嘿

sched_fork

2015-11-11 15:42

博主，你的文章寫的很好?？少F的是，在寫一個 timer 子系統還能道出這么多物理學相關的知識。

請問一下你研究一個子系統是怎么樣的順序呢？

是先閱讀相關背景知識，然后通讀該子系統代碼，再整理出一個輪廓框架，最后寫作嗎?

還有一點，讀代碼的時候，你是怎么知道代碼背后的知識的？例如從 time_t 和 struct timeval 這樣的代碼，知道背后 posix 演進的過程。

2015-11-11 18:00

@sched_fork：呵呵～～～我本身是一個物理學和數學愛好者，當然，僅僅限于“愛好者”，因此，有時候就會喜歡亂想，亂寫，其實那些和理解linux kernel的各個子系統沒有任何的關系。

知識的獲取是和人的思維習慣相關的，多思考，多問問題，自己先分析，然后從網絡找答案驗證自己的思路.....

2015-04-21 17:16

很好的文章

2015-01-23 14:43

隨著應用的發展，秒精度已經無法滿足要求，因此出現了毫秒精度的時間表示：

struct timeval {

time_t????????tv_sec;????????/* seconds */

suseconds_t????tv_usec;????/* microseconds */

};

struct timeval 的概念和time_t是一樣的，只不過多了一個毫秒的成員，將時間的精度推進到毫秒級別。在計算當前時刻到epoch時間點的毫秒數值的時候可以使用公式：tv_sec x 10^6 + tv_usec。

這里說的是微妙，不是毫秒。

2015-01-26 12:12

@haichunzhao：多謝指正，我公式用的10^6，不過手寫就錯了，^_^

Ash

2015-01-26 20:13

@haichunzhao：我一直很奇怪：在一般都是1000HZ，也就是1ms一次的滴答下，怎么得到us級別的精度？

2015-01-27 11:56

@Ash：低精度timer是基于tick的，實際上，高精度timer不是base on tick的，它是基于clockevent和clock source的，假設一個晶振是13M，那么每個clock就是1/13個us，通過對clock的計數，當然很容易達到us的精度了。更具體的內容會在高精度timer文檔中描述，BTW，這份文檔還沒有開始寫，呵呵。

Ash

2015-01-27 16:32

@linuxer：哦，就相當于有一個寄存器級別的jiffies在計數，所以能夠達到更高的精度。那看來是我的采用的soc架構不支持這個，于是退而求其次采用了低精度的jiffies作為clocksource。我以為是有什么特殊的算法，能夠實現高精度呢。感謝了。

cade

2017-03-30 14:20

@linuxer：請教下

這base on tick 和base on clockevent/clocksource兩種定時器硬件實現上有什么不同？一般是arm實現的嗎？

在driver中使用時有接口可以設置精度嗎比如要精確到ns/us/ms/s。。。

定時器到期就一定意味著GIC向cpu發送中斷，進入interrupt context？

2017-03-31 19:23

@cade：這base on tick 和base on clockevent/clocksource兩種定時器硬件實現上有什么不同？一般是arm實現的嗎？

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

低精度timer是基于tick的，而對于周期性tick而言，HW timer需要能夠周期性的產生中斷。

高精度timer是基于clockevent driver的，需要HW timer具備one shot的功能。

在driver中使用時有接口可以設置精度嗎比如要精確到ns/us/ms/s

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

不能

定時器到期就一定意味著GIC向cpu發送中斷，進入interrupt context？

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

hw timer到期當然會觸發中斷了

cade

2017-03-31 19:47

@linuxer：謝謝！這幾天一直在拜讀timer系列文件，寫的很好！

原先從來沒有看過timer，一直有個疑問

“HW timer的哪些是ARM 實現的，哪些是SOC實現的？”

我看下來的結合自己的認識是：

system counter/local timer----arm實現了；

RTC 用來實現alarmtimer，可以設定wall time---soc廠商實現

不知是這樣嗎？

2015-01-27 14:00

@Ash：kernel會選擇最好的clocksource，一般的clocksource都是MHZ，會比1000HZ大的，所以能精確到us；

Ash

2015-01-27 16:33

@haichunzhao：恩，看來是這樣的，是我之前找錯方向了。謝謝！

star

2015-01-21 11:19

已從量子物理轉到嵌入式混飯吃...

wowo

2015-01-21 12:19

@star：我覺得這才是這個社會的無奈，理想狀態下，搞量子物理的一定要比搞嵌入式的掙的錢更多，哪怕他一輩子什么都沒搞出來……

2015-01-22 10:44

@wowo：是啊，其實我的理想是

忙了好一陣子。

要把這段時間沒仔細看的文章讀一遍了。

2015-01-22 10:44

@tigger：我的理想是種地。

wowo

2015-01-22 12:21

@tigger：呵呵，可以去包點地開個農場啊。

2014-12-23 18:12

如果不是為了靠linux kernel混口飯吃，我早就遁入空門研究物理學和數學了，^_^

2014-12-24 10:23

@linuxer：幸好我逼迫自己嘗試喜歡linux kernel

要不然早就沒飯吃了

^_^

2014-12-24 13:08

@tigger：經濟基礎決定上層建筑，相信我，騷年，大膽的、勇敢的、奮不顧身的去掙錢混飯吃吧，但有一點，為自己的理想保留一個空間，有空就去打掃它，給它澆澆水，施施肥，等到經濟基礎打好了，我們再更加大膽的、勇敢的、奮不顧身的去追求內心的愉悅.......

溫柔海洋

2016-07-06 15:24

@linuxer：中國制造業本來就不發達，整天互聯網+制造泡泡。

wowo

2014-12-23 15:28

我只想說騷年你又升華了，哈哈。等下班了得好好研究研究，窺探一下天機~~~~

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux 不同用户时间,Linux时间子系统之（一）：时间的基本概念的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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