linux时间子系统（二）

简单介绍linux下的时间子系统。包括clocksource，timekeeper和定时器的内容。

2.2 timekeeper

  对于真实用户来说，感知的是真实世界的真实时间，也就是所谓的墙上时间。clocksource只是提供一个按周期递增的周期计数。在Linux内核中，使用timekeeper对clocksource进行进一步的封装，将周期转换时间并转换成合适的格式。

2.2.1 time type

  内核中管理着多种时间，他们分别是RTC time, wall time(xtime), monotonic time, raw monotonic time, boot time。这里，我们简单分析一下各种类型的时间。

  RTC time，又叫CMOS时间。它通常由一个专门的计时硬件来实现，软件可以通过读取该硬件来获取年月日，时分秒等时间信息。一般来说，RTC time是一种可持续计时的。也就是说，无论系统是否上电，RTC硬件中的时间都不会丢失，计时会一直持续进行。硬件上通常由一个后备电池对RTC硬件进行单独的供电。由于RTC硬件的多样性，开发者需要为每种RTC时钟硬件提供相应的驱动程序，内核和用户空间通过驱动程序访问RTC硬件来获取或设置时间信息。

  wall time，和RTC time一样，都是人们日常所使用的墙上时间，只是RTC time的时钟精度通常比较低，大多数情况下只能达到毫秒级别的精度。而且如果使用外部的RTC芯片，访问的速度也比较慢。为此，内核维护了另外一个wall time时间：xtime。xtime的精度取决于其用于计时的clocksource，有的甚至可以达到纳秒级。因为xtime实际上是一个内存变量，它的访问速度可以非常快，所以内核的大部分代码都使用xtime来获取当前时间信息。xtime记录的是自1970年1月1日24时到当前时刻所经历的纳秒数。

  monotonic time，该时间会从开机后一直单调的增加。不会像xtime可以因用户调整时间而产生跳变。但是该时间不会统计系统休眠的时间。也就是说，系统休眠时，monotonic time不会增加。
  raw monotonic time，与monotonic time类似，也是单调递增的时间。与monotonic time不同的是，raw monotonic time不会受到NTP时间调整的影响，它代表着系统独立时间硬件对时间的统计。
  boot time，与monotonic time类似，不过会加上系统休眠时间。它代表着系统上电后的总时间。

 

2.2.2 相关数据结构 

  内核中，为了实现之上的多种时间，定义了几个静态全局变量。

static struct timespec xtime __attribute__ ((aligned (16)));

static struct timespec wall_to_monotonic __attribute__ ((aligned (16)));

static struct timespec total_sleep_time;

 

/*

 * The raw monotonic time for the CLOCK_MONOTONIC_RAW posix clock.

 */

static struct timespec raw_time;

 

struct timekeeper {

        /* Current clocksource used for timekeeping. */

        struct clocksource *clock;            

        /* The shift value of the current clocksource. */

        int     shift;                

        

        /* Number of clock cycles in one NTP interval. */

        cycle_t cycle_interval;

        /* Number of clock shifted nano seconds in one NTP interval. */

        u64     xtime_interval;

        /* shifted nano seconds left over when rounding cycle_interval */

        s64     xtime_remainder;

        /* Raw nano seconds accumulated per NTP interval. */

        u32     raw_interval;

        

        /* Clock shifted nano seconds remainder not stored in xtime.tv_nsec. */

        u64     xtime_nsec;

        /* Difference between accumulated time and NTP time in ntp

         * shifted nano seconds. */

        s64     ntp_error;

        /* Shift conversion between clock shifted nano seconds and

         * ntp shifted nano seconds. */

        int     ntp_error_shift;

        /* NTP adjusted clock multiplier */

        u32     mult;

};

   xtime，即wall time。他是一个timespec结构变量，记录了自1970年1月1日以来所经历的时间。因为是timespec结构，所以精度可以达到纳秒级。但是需要系统的硬件支持这一精度。

  monotonic time，表示自系统启动以来所经历的时间。该时间只能单调递增。xtime正常情况下也是单调递增的，但是用户可以主动向前或向后调整wall time,从而修改xtime的值。系统定义了变量wall_to_monotonic，表示monotonic time和xtime之间的偏移量，当需要获取monotonic time时，把xtmie和wall_to_monotonic时间相加即可。由于系统启动时monotonic time初始值应该为0，所以在初始化时wall_to_monotonic应该是个负值。

  total_sleep_time，用来记录系统休眠的时间。每次休眠被唤醒后，会重新累加该时间和xtime，调整wall_to_monotonic的值，保证monotonic time的时间不会发生跳变。由于wall_to_monotonic的值被调整，如果想要获取boot time,可以使用monotonic time与total_sleep_time之和。

  raw_time,用来表示真正的硬件时间。也就是raw monotonic time。它不受时间调整的影响，monotonic time虽然也不受settimeofday的影响，但是会受到ntp调整的影响，因为monotonic time与xtime有关。而raw_time不受ntp调整的影响。raw_time在开机完成后就单调的递增。在用户空间，可以使用clock_gettime获取xtime, monotonic time和raw time,对应的ID参数分别为CLOCK_REALTIME, CLOCK_MONOTONIC, CLOCK_MONOTONIC_RAW(有可能参数没有定义，但是使用其值4，可能成功获取时间。直接使用值可能有移植的问题）。

  timekeeper结构中比较重要的字段有clock，shift，mult。这里，clock字段对应的是当前系统选用的时钟源。一般来说，rating值越高，被选择为最终时钟源的可能性越大。但是Linux为了可靠性，在选定最终时钟源之前，使用watchdog来判定时钟源是否可靠。判定方式是给定时器设定定时任务，时间为0.5s，如果唤醒任务的时间误差大于0.0625s，则认为时钟源是不可靠的。在退出监控时会将时钟源的rating值设置为0，表明时钟源及其不精确。之后选用rating值最高的时钟源作为系统的时钟源，同时赋值给timekeeper.clock字段。而shift和mult字段的意义和clocksource结构中的相同。在初始化时，内核会将clocksource的mult和shift赋值给timekeeper的mult和shift字段。只是随着系统的运行，ntp调整会改变timekeeper结构中mult字段的值，而clocksource结构中的相应字段不会被改变。

（持续更新中。。。）