系統中有很多與時間相關的程序（比如定期執行的任務，某一時間執行的任務，推遲一段時間執行的任務），因此，時間的管理對于linux來說非常重要。

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主要內容：

• 系統時間
• 定時器
• 定時器相關概念
• 定時器執行流程
• 實現程序延遲的方法
• 定時器和延遲的例子

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1. 系統時間

系統中管理的時間有2種：實際時間和定時器。

1.1? 實際時間

實際時間就是現實中鐘表上顯示的時間，其實內核中并不常用這個時間，主要是用戶空間的程序有時需要獲取當前時間，

所以內核中也管理著這個時間。

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實際時間的獲取是在開機后，內核初始化時從RTC讀取的。

內核讀取這個時間后就將其放入內核中的 xtime 變量中，并且在系統的運行中不斷更新這個值。

注：RTC就是實時時鐘的縮寫，它是用來存放系統時間的設備。一般和BIOS一樣，由主板上的電池供電的，所以即使關機也可將時間保存。

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實際時間存放的變量 xtime 在文件 kernel/time/timekeeping.c中。

/* 按照16位對齊，其實就是2個long型的數據 */ struct timespec xtime __attribute__ ((aligned (16)));/* timespec結構體的定義如下， 參考 <linux/time.h> */ struct timespec {__kernel_time_t tv_sec; /* seconds */long tv_nsec; /* nanoseconds */ };/* _kernel_time_t 定義如下 */ typedef long __kernel_time_t;

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系統讀寫 xtime 時用的就是順序鎖。

/* 寫入 xtime 參考 do_sometimeofday 方法 */ int do_settimeofday(struct timespec *tv) { /* 省略 。。。。 */write_seqlock_irqsave(&xtime_lock, flags); /* 獲取寫鎖 */ /* 更新 xtime */write_sequnlock_irqrestore(&xtime_lock, flags); /* 釋放寫鎖 */ /* 省略 。。。。 */return 0; }/* 讀取 xtime 參考 do_gettimeofday 方法 */ void do_gettimeofday(struct timeval *tv) {struct timespec now;getnstimeofday(&now); /* 就是在這個方法中獲取讀鎖，并讀取 xtime */tv->tv_sec = now.tv_sec;tv->tv_usec = now.tv_nsec/1000; }void getnstimeofday(struct timespec *ts) { /* 省略 。。。。 *//* 順序鎖中讀鎖來循環獲取 xtime，直至讀取過程中 xtime 沒有被改變過 */do {seq = read_seqbegin(&xtime_lock);*ts = xtime;nsecs = timekeeping_get_ns();/* If arch requires, add in gettimeoffset() */nsecs += arch_gettimeoffset();} while (read_seqretry(&xtime_lock, seq)); /* 省略 。。。。 */ }

上述場景中，寫鎖必須要優先于讀鎖(因為 xtime 必須及時更新)，而且寫鎖的使用者很少(一般只有系統定期更新xtime的線程需要持有這個鎖)。

這正是 順序鎖的應用場景。

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1.2 定時器

定時器是內核中主要使用的時間管理方法，通過定時器，可以有效的調度程序的執行。

動態定時器是內核中使用比較多的定時器，下面重點討論的也是動態定時器。

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2. 定時器

內核中的定時器有2種，靜態定時器和動態定時器。

靜態定時器一般執行了一些周期性的固定工作：

• 更新系統運行時間
• 更新實際時間
• 在SMP系統上，平衡各個處理器上的運行隊列
• 檢查當前進程是否用盡了自己的時間片，如果用盡，需要重新調度。
• 更新資源消耗和處理器時間統計值

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動態定時器顧名思義，是在需要時（一般是推遲程序執行）動態創建的定時器，使用后銷毀（一般都是只用一次）。

一般我們在內核代碼中使用的定時器基本都是動態定時器，下面重點討論動態定時器相關的概念和使用方法。

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3. 定時器相關概念

定時器的使用中，下面3個概念非常重要：

HZ

jiffies

時間中斷處理程序

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3.1 HZ

節拍率(HZ)是時鐘中斷的頻率，表示的一秒內時鐘中斷的次數。

比如 HZ=100 表示一秒內觸發100次時鐘中斷程序。

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HZ的值一般與體系結構有關，x86 體系結構一般定義為 100，參考文件 include/asm-generic/param.h

HZ值的大小的設置過程其實就是平衡 精度和性能 的過程，并不是HZ值越高越好。

HZ值	優勢	劣勢
高HZ	時鐘中斷程序運行的更加頻繁，依賴時間執行的程序更加精確， 對資源消耗和系統運行時間的統計更加精確。	時鐘中斷執行的頻繁，增加系統負擔 時鐘中斷占用的CPU時間過多

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此外，有一點需要注意，內核中使用的HZ可能和用戶空間中定義的HZ值不一致，為了避免用戶空間取得錯誤的時間，

內核中也定義了 USER_HZ，即用戶空間使用的HZ值。

一般來說，USER_HZ 和 HZ 都是相差整數倍，內核中通過函數 jiffies_to_clock_t 來將內核來將內核中的 jiffies轉為 用戶空間 jiffies

/* 參見文件： kernel/time.c * //** Convert jiffies/jiffies_64 to clock_t and back.*/ clock_t jiffies_to_clock_t(unsigned long x) { #if (TICK_NSEC % (NSEC_PER_SEC / USER_HZ)) == 0 # if HZ < USER_HZreturn x * (USER_HZ / HZ); # elsereturn x / (HZ / USER_HZ); # endif #elsereturn div_u64((u64)x * TICK_NSEC, NSEC_PER_SEC / USER_HZ); #endif } EXPORT_SYMBOL(jiffies_to_clock_t);

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3.2 jiffies

jiffies用來記錄自系統啟動以來產生的總節拍數。比如系統啟動了 N 秒，那么 jiffies就為 N×HZ

jiffies的相關定義參考頭文件 <linux/jiffies.h>? include/linux/jiffies.h

/* 64bit和32bit的jiffies定義如下 */ extern u64 __jiffy_data jiffies_64; extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

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使用定時器時一般都是以jiffies為單位來延遲程序執行的，比如延遲5個節拍后執行的話，執行時間就是 jiffies+5

32位的jiffies的最大值為 2^32-1，在使用時有可能會出現回繞的問題。

比如下面的代碼：

unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 設置超時時間為 0.5秒 */while (timeout < jiffies) {/* 還沒有超時，繼續執行任務 */ }/* 執行超時后的任務 */

正常情況下，上面的代碼沒有問題。當jiffies接近最大值的時候，就會出現回繞問題。

由于是unsinged long類型，所以jiffies達到最大值后會變成0然后再逐漸變大，如下圖所示：

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所以在上述的循環代碼中，會出現如下情況：

循環中第一次比較時，jiffies = J1，沒有超時

循環中第二次比較時，jiffies = J2，實際已經超時了，但是由于jiffies超過的最大值后又從0開始，所以J2遠遠小于timeout

while循環會執行很長時間(> 2^32-1 個節拍)不會結束，幾乎相當于死循環了

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為了回避回擾的問題，可以使用<linux/jiffies.h>頭文件中提供的 time_after，time_before等宏

#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)

上述代碼的原理其實就是將 unsigned long 類型轉換為 long 類型來避免回擾帶來的錯誤，

long 類型超過最大值時變化趨勢如下：

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long 型的數據的回繞會出現在 2^31-1 變為 -2^32 的時候，如下圖所示：

第一次比較時，jiffies = J1，沒有超時

第二次比較時，jiffies = J2，一般 J2 是負數
理論上 (long)timeout - (long)J2 = 正數 - 負數 = 正數（result）
但是，這個正數（result）一般會大于 2^31 - 1，所以long型的result又發生了一次回繞，變成了負數。
除非timeout和J2之間的間隔 > 2^32 個節拍，result的值才會為正數(注1)。

注1：result的值為正數時，必須是在result的值 小于 2^31-1 的情況下，大于 2^31-1 會發生回繞。

上圖中 X + Y 表示timeout 和 J2之間經過的節拍數。

result 小于 2^31-1 ，也就是 timeout - J2 < 2^31 – 1

timeout 和 -J2 表示的節拍數如上圖所示。(因為J2是負數，所有-J2表示上圖所示范圍的值)

因為 timeout + X + Y - J2 = 2^31-1 + 2^32

所以 timeout - J2 < 2^31 - 1 時， X + Y > 2^32

也就是說，當timeout和J2之間經過至少 2^32 個節拍后，result才可能變為正數。

timeout和J2之間相差這么多節拍是不可能的(不信可以用HZ將這些節拍換算成秒就知道了。。。)

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利用time_after宏就可以巧妙的避免回繞帶來的超時判斷問題，將之前的代碼改成如下代碼即可：

unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* 設置超時時間為 0.5秒 */while (time_after(jiffies, timeout)) {/* 還沒有超時，繼續執行任務 */ }/* 執行超時后的任務 */

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3.3 時鐘中斷處理程序

時鐘中斷處理程序作為系統定時器而注冊到內核中，體系結構的不同，可能時鐘中斷處理程序中處理的內容不同。

但是以下這些基本的工作都會執行：

• 獲得 xtime_lock 鎖，以便對訪問 jiffies_64 和墻上時間 xtime 進行保護
• 需要時應答或重新設置系統時鐘
• 周期性的使用墻上時間更新實時時鐘
• 調用 tick_periodic()

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tick_periodic函數位于： kernel/time/tick-common.c 中

static void tick_periodic(int cpu) {if (tick_do_timer_cpu == cpu) {write_seqlock(&xtime_lock);/* Keep track of the next tick event */tick_next_period = ktime_add(tick_next_period, tick_period);do_timer(1);write_sequnlock(&xtime_lock);}update_process_times(user_mode(get_irq_regs()));profile_tick(CPU_PROFILING); }

其中最重要的是 do_timer 和 update_process_times 函數。

我了解的步驟進行了簡單的注釋。

void do_timer(unsigned long ticks) {/* jiffies_64 增加指定ticks */jiffies_64 += ticks;/* 更新實際時間 */update_wall_time();/* 更新系統的平均負載值 */calc_global_load(); }void update_process_times(int user_tick) {struct task_struct *p = current;int cpu = smp_processor_id();/* 更新當前進程占用CPU的時間 */account_process_tick(p, user_tick);/* 同時觸發軟中斷，處理所有到期的定時器 */run_local_timers();rcu_check_callbacks(cpu, user_tick);printk_tick();/* 減少當前進程的時間片數 */scheduler_tick();run_posix_cpu_timers(p); }

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4. 定時器執行流程

這里討論的定時器執行流程是動態定時器的執行流程。

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4.1 定時器的定義

定時器在內核中用一個鏈表來保存的，鏈表的每個節點都是一個定時器。

參見頭文件 <linux/timer.h>

struct timer_list {struct list_head entry;unsigned long expires;void (*function)(unsigned long);unsigned long data;struct tvec_base *base; #ifdef CONFIG_TIMER_STATSvoid *start_site;char start_comm[16];int start_pid; #endif #ifdef CONFIG_LOCKDEPstruct lockdep_map lockdep_map; #endif };

通過加入條件編譯的參數，可以追加一些調試信息。

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4.2 定時器的生命周期

一個動態定時器的生命周期中，一般會經過下面的幾個步驟：

1. 初始化定時器：

struct timer_list my_timer; /* 定義定時器 */ init_timer(&my_timer); /* 初始化定時器 */

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2. 填充定時器：

my_timer.expires = jiffies + delay; /* 定義超時的節拍數 */ my_timer.data = 0; /* 給定時器函數傳入的參數 */ my_timer.function = my_function; /* 定時器超時時，執行的自定義函數 *//* 從定時器結構體中，我們可以看出這個函數的原型應該如下所示： */ void my_function(unsigned long data);

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3. 激活定時器和修改定時器：

激活定時器之后才會被觸發，否則定時器不會執行。

修改定時器主要是修改定時器的延遲時間，修改定時器后，不管原先定時器有沒有被激活，都會處于激活狀態。

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填充定時器結構之后，可以只激活定時器，也可以只修改定時器，也可以激活定時器后再修改定時器。

所以填充定時器結構和觸發定時器之間的步驟，也就是虛線框中的步驟是不確定的。

add_timer(&my_timer); /* 激活定時器 */ mod_timer(&my_timer, jiffies + new_delay); /* 修改定時器，設置新的延遲時間 */

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4. 觸發定時器：

每次時鐘中斷處理程序會檢查已經激活的定時器是否超時，如果超時就執行定時器結構中的自定義函數。

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5. 刪除定時器：

激活和未被激活的定時器都可以被刪除，已經超時的定時器會自動刪除，不用特意去刪除。

/** 刪除激活的定時器時，此函數返回1* 刪除未激活的定時器時，此函數返回0*/ del_timer(&my_timer);

在多核處理器上用 del_timer 函數刪除定時器時，可能在刪除時正好另一個CPU核上的時鐘中斷處理程序正在執行這個定時器，于是就形成了競爭條件。

為了避免競爭條件，建議使用 del_timer_sync 函數來刪除定時器。

del_timer_sync 函數會等待其他處理器上的定時器處理程序全部結束后，才刪除指定的定時器。

/** 和del_timer 不同，del_timer_sync 不能在中斷上下文中執行*/ del_timer_sync(&my_timer);

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5. 實現程序延遲的方法

內核中有個利用定時器實現延遲的函數 schedule_timeout

這個函數會將當前的任務睡眠到指定時間后喚醒，所以等待時不會占用CPU時間。

/* 將任務設置為可中斷睡眠狀態 */ set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);/* 小睡一會兒，“s“秒后喚醒 */ schedule_timeout(s*HZ);

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查看 schedule_timeout 函數的實現方法，可以看出是如何使用定時器的。

signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout) {/* 定義一個定時器 */struct timer_list timer;unsigned long expire;switch (timeout){case MAX_SCHEDULE_TIMEOUT:/** These two special cases are useful to be comfortable* in the caller. Nothing more. We could take* MAX_SCHEDULE_TIMEOUT from one of the negative value* but I' d like to return a valid offset (>=0) to allow* the caller to do everything it want with the retval.*/schedule();goto out;default:/** Another bit of PARANOID. Note that the retval will be* 0 since no piece of kernel is supposed to do a check* for a negative retval of schedule_timeout() (since it* should never happens anyway). You just have the printk()* that will tell you if something is gone wrong and where.*/if (timeout < 0) {printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout ""value %lx\n", timeout);dump_stack();current->state = TASK_RUNNING;goto out;}}/* 設置超時時間 */expire = timeout + jiffies;/* 初始化定時器，超時處理函數是 process_timeout，后面再補充說明一下這個函數 */setup_timer_on_stack(&timer, process_timeout, (unsigned long)current);/* 修改定時器，同時會激活定時器 */__mod_timer(&timer, expire, false, TIMER_NOT_PINNED);/* 將本任務睡眠，調度其他任務 */schedule();/* 刪除定時器，其實就是 del_timer_sync 的宏del_singleshot_timer_sync(&timer);/* Remove the timer from the object tracker */destroy_timer_on_stack(&timer);timeout = expire - jiffies;out:return timeout < 0 ? 0 : timeout; } EXPORT_SYMBOL(schedule_timeout);/* * 超時處理函數 process_timeout 里面只有一步操作，喚醒當前任務。* process_timeout 的參數其實就是 當前任務的地址*/ static void process_timeout(unsigned long __data) {wake_up_process((struct task_struct *)__data); }

schedule_timeout 一般用于延遲時間較長的程序。

這里的延遲時間較長是對于計算機而言的，其實也就是延遲大于 1 個節拍(jiffies)。

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對于某些極其短暫的延遲，比如只有1ms，甚至1us，1ns的延遲，必須使用特殊的延遲方法。

1s = 1000ms = 1000000us = 1000000000ns (1秒=1000毫秒=1000000微秒=1000000000納秒)

假設 HZ=100，那么 1個節拍的時間間隔是 1/100秒，大概10ms左右。

所以對于那些極其短暫的延遲，schedule_timeout 函數是無法使用的。

好在內核對于這些短暫，精確的延遲要求也提供了相應的宏。

/* 具體實現參見 include/linux/delay.h* 以及 arch/x86/include/asm/delay.h*/ #define mdelay(n) ... #define udelay(n) ... #define ndelay(n) ...

通過這些宏，可以簡單的實現延遲，比如延遲 5ns，只需 ndelay(5); 即可。

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這些短延遲的實現原理并不復雜，

首先，內核在啟動時就計算出了當前處理器1秒能執行多少次循環，即 loops_per_jiffy

(loops_per_jiffy 的計算方法參見 init/main.c 文件中的 calibrate_delay 方法)。

然后算出延遲 5ns 需要循環多少次，執行那么多次空循環即可達到延遲的效果。

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loops_per_jiffy 的值可以在啟動信息中看到：

[root@vbox ~]# dmesg | grep delay Calibrating delay loop (skipped), value calculated using timer frequency.. 6387.58 BogoMIPS (lpj=3193792)

我的虛擬機中看到 (lpj=3193792)

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6. 定時器和延遲的例子

下面的例子測試了短延遲，自定義定時器以及 schedule_timeout 的使用：

#include <linux/sched.h> #include <linux/timer.h> #include <linux/jiffies.h> #include <asm/param.h> #include <linux/delay.h> #include "kn_common.h"MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");static void test_short_delay(void); static void test_delay(void); static void test_schedule_timeout(void); static void my_delay_function(unsigned long);static int testdelay_init(void) {printk(KERN_ALERT "HZ in current system: %dHz\n", HZ);/* test short delay */test_short_delay();/* test delay */test_delay();/* test schedule timeout */test_schedule_timeout();return 0; }static void testdelay_exit(void) {printk(KERN_ALERT "*************************\n");print_current_time(0);printk(KERN_ALERT "testdelay is exited!\n");printk(KERN_ALERT "*************************\n"); }static void test_short_delay() {printk(KERN_ALERT "jiffies [b e f o r e] short delay: %lu", jiffies);ndelay(5);printk(KERN_ALERT "jiffies [a f t e r] short delay: %lu", jiffies); }static void test_delay() {/* 初始化定時器 */struct timer_list my_timer;init_timer(&my_timer);/* 填充定時器 */my_timer.expires = jiffies + 1*HZ; /* 2秒后超時函數執行 */my_timer.data = jiffies;my_timer.function = my_delay_function;/* 激活定時器 */add_timer(&my_timer); }static void my_delay_function(unsigned long data) {printk(KERN_ALERT "This is my delay function start......\n");printk(KERN_ALERT "The jiffies when init timer: %lu\n", data);printk(KERN_ALERT "The jiffies when timer is running: %lu\n", jiffies);printk(KERN_ALERT "This is my delay function end........\n"); }static void test_schedule_timeout() {printk(KERN_ALERT "This sample start at : %lu", jiffies);/* 睡眠2秒 */set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);printk(KERN_ALERT "sleep 2s ....\n");schedule_timeout(2*HZ);printk(KERN_ALERT "This sample end at : %lu", jiffies); }module_init(testdelay_init); module_exit(testdelay_exit);

其中用到的 kn_common.h 和 kn_common.c 參見之前的博客 《Linux內核設計與實現》讀書筆記（六）- 內核數據結構

Makefile如下：

# must complile on customize kernel obj-m += mydelay.o mydelay-objs := testdelay.o kn_common.o#generate the path CURRENT_PATH:=$(shell pwd) #the current kernel version number LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r) #the absolute path LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/kernels/$(LINUX_KERNEL) #complie object all:make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modulesrm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c .tmp_versions *.unsigned #clean clean:rm -rf modules.order Module.symvers .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions *.unsigned

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執行測試命令及查看結果的方法如下：(我的測試系統是 CentOS 6.3 x64)

[root@vbox chap11]# make [root@vbox chap11]# insmod mydelay.ko [root@vbox chap11]# rmmod mydelay.ko [root@vbox chap11]# dmesg | tail -14 HZ in current system: 1000Hz jiffies [b e f o r e] short delay: 4296079617 jiffies [a f t e r] short delay: 4296079617 This sample start at : 4296079619 sleep 2s .... This is my delay function start...... The jiffies when init timer: 4296079619 The jiffies when timer is running: 4296080621 This is my delay function end........ This sample end at : 4296081622 ************************* 2013-5-9 23:7:20 testdelay is exited! *************************

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結果說明：

1. 短延遲只延遲了 5ns，所以執行前后的jiffies是一樣的。

jiffies [b e f o r e] short delay: 4296079617 jiffies [a f t e r] short delay: 4296079617

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2. 自定義定時器延遲了1秒后執行自定義函數，由于我的系統 HZ=1000，所以jiffies應該相差1000

The jiffies when init timer: 4296079619 The jiffies when timer is running: 4296080621

實際上jiffies相差了 1002，多了2個節拍

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3. schedule_timeout 延遲了2秒，jiffies應該相差 2000

This sample start at : 4296079619 This sample end at : 4296081622

實際上jiffies相差了 2003，多了3個節拍

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以上結果也說明了定時器的延遲并不是那么精確，差了2,3個節拍其實就是誤差2,3毫秒(因為HZ=1000)

如果HZ=100的話，一個節拍是10毫秒，那么定時器的誤差可能就發現不了了(誤差只有2,3毫秒，沒有超多1個節拍)。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《Linux内核设计与实现》读书笔记（十一）- 定时器和时间管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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