Linux時(shí)間子系統(tǒng)中時(shí)間的維護(hù)者：timekeeper

本系列文章的前兩節(jié)討論了用于計(jì)時(shí)的時(shí)鐘源：clocksource，以及內(nèi)核內(nèi)部時(shí)間的一些表示方法，但是對(duì)于真實(shí)的用戶來(lái)說(shuō)，我們感知的是真實(shí)世界的真實(shí)時(shí)間，也就是所謂的墻上時(shí)間，clocksource只能提供一個(gè)按給定頻率不停遞增的周期計(jì)數(shù)，如何把它和真實(shí)的墻上時(shí)間相關(guān)聯(lián)？本節(jié)的內(nèi)容正是要討論這一點(diǎn)。

1. ?時(shí)間的種類

內(nèi)核管理著多種時(shí)間，它們分別是：

RTC時(shí)間

wall time：墻上時(shí)間

monotonic time

raw monotonic time

boot time：總啟動(dòng)時(shí)間

RTC時(shí)間? 在PC中，RTC時(shí)間又叫CMOS時(shí)間，它通常由一個(gè)專門的計(jì)時(shí)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件可以讀取該硬件來(lái)獲得年月日、時(shí)分秒等時(shí)間信息，而在嵌入式系統(tǒng)中，有使用專門的RTC芯片，也有直接把RTC集成到Soc芯片中，讀取Soc中的某個(gè)寄存器即可獲取當(dāng)前時(shí)間信息。一般來(lái)說(shuō)，RTC是一種可持續(xù)計(jì)時(shí)的，也就是說(shuō)，不管系統(tǒng)是否上電，RTC中的時(shí)間信息都不會(huì)丟失，計(jì)時(shí)會(huì)一直持續(xù)進(jìn)行，硬件上通常使用一個(gè)后備電池對(duì)RTC硬件進(jìn)行單獨(dú)的供電。因?yàn)镽TC硬件的多樣性，開發(fā)者需要為每種RTC時(shí)鐘硬件提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，內(nèi)核和用戶空間通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序訪問RTC硬件來(lái)獲取或設(shè)置時(shí)間信息。

xtime? xtime和RTC時(shí)間一樣，都是人們?nèi)粘Ｋ褂玫膲ι蠒r(shí)間，只是RTC時(shí)間的精度通常比較低，大多數(shù)情況下只能達(dá)到毫秒級(jí)別的精度，如果是使用外部的RTC芯片，訪問速度也比較慢，為此，內(nèi)核維護(hù)了另外一個(gè)wall time時(shí)間：xtime，取決于用于對(duì)xtime計(jì)時(shí)的clocksource，它的精度甚至可以達(dá)到納秒級(jí)別，因?yàn)閤time實(shí)際上是一個(gè)內(nèi)存中的變量，它的訪問速度非?？?，內(nèi)核大部分時(shí)間都是使用xtime來(lái)獲得當(dāng)前時(shí)間信息。xtime記錄的是自1970年1月1日24時(shí)到當(dāng)前時(shí)刻所經(jīng)歷的納秒數(shù)。

monotonic time? 該時(shí)間自系統(tǒng)開機(jī)后就一直單調(diào)地增加，它不像xtime可以因用戶的調(diào)整時(shí)間而產(chǎn)生跳變，不過(guò)該時(shí)間不計(jì)算系統(tǒng)休眠的時(shí)間，也就是說(shuō)，系統(tǒng)休眠時(shí)，monotoic時(shí)間不會(huì)遞增。

raw monotonic time? 該時(shí)間與monotonic時(shí)間類似，也是單調(diào)遞增的時(shí)間，唯一的不同是：raw monotonic time“更純凈”，他不會(huì)受到NTP時(shí)間調(diào)整的影響，它代表著系統(tǒng)獨(dú)立時(shí)鐘硬件對(duì)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。

boot time? 與monotonic時(shí)間相同，不過(guò)會(huì)累加上系統(tǒng)休眠的時(shí)間，它代表著系統(tǒng)上電后的總時(shí)間。

時(shí)間種類精度（統(tǒng)計(jì)單位）訪問速度累計(jì)休眠時(shí)間受NTP調(diào)整的影響RTC低慢YesYesxtime高快YesYesmonotonic高快NoYesraw monotonic高快NoNoboot time高快YesYes

2. ?struct timekeeper

內(nèi)核用timekeeper結(jié)構(gòu)來(lái)組織與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)，它的定義如下：

[cpp]?view plain?copy

struct?timekeeper?{??

struct?clocksource?*clock;????/*?Current?clocksource?used?for?timekeeping.?*/??

u32?mult;????/*?NTP?adjusted?clock?multiplier?*/??

int?shift;??/*?The?shift?value?of?the?current?clocksource.?*/??

cycle_t?cycle_interval;?/*?Number?of?clock?cycles?in?one?NTP?interval.?*/??

u64?xtime_interval;?/*?Number?of?clock?shifted?nano?seconds?in?one?NTP?interval.?*/??

s64?xtime_remainder;????/*?shifted?nano?seconds?left?over?when?rounding?cycle_interval?*/??

u32?raw_interval;???/*?Raw?nano?seconds?accumulated?per?NTP?interval.?*/??

u64?xtime_nsec;?/*?Clock?shifted?nano?seconds?remainder?not?stored?in?xtime.tv_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;??

struct?timespec?xtime;??/*?The?current?time?*/??

struct?timespec?wall_to_monotonic;??

struct?timespec?total_sleep_time;???/*?time?spent?in?suspend?*/??

struct?timespec?raw_time;???/*?The?raw?monotonic?time?for?the?CLOCK_MONOTONIC_RAW?posix?clock.?*/??

ktime_t?offs_real;??/*?Offset?clock?monotonic?->?clock?realtime?*/??

ktime_t?offs_boot;??/*?Offset?clock?monotonic?->?clock?boottime?*/??

seqlock_t?lock;?/*?Seqlock?for?all?timekeeper?values?*/??

};??

其中的xtime字段就是上面所說(shuō)的墻上時(shí)間，它是一個(gè)timespec結(jié)構(gòu)的變量，它記錄了自1970年1月1日以來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，因?yàn)槭莟imespec結(jié)構(gòu)，所以它的精度可以達(dá)到納秒級(jí)，當(dāng)然那要取決于系統(tǒng)的硬件是否支持這一精度。

內(nèi)核除了用xtime表示墻上的真實(shí)時(shí)間外，還維護(hù)了另外一個(gè)時(shí)間：monotonic time，可以把它理解為自系統(tǒng)啟動(dòng)以來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，該時(shí)間只能單調(diào)遞增，可以理解為xtime雖然正常情況下也是遞增的，但是畢竟用戶可以主動(dòng)向前或向后調(diào)整墻上時(shí)間，從而修改xtime值。但是monotonic時(shí)間不可以往后退，系統(tǒng)啟動(dòng)后只能不斷遞增。奇怪的是，內(nèi)核并沒有直接定義一個(gè)這樣的變量來(lái)記錄monotonic時(shí)間，而是定義了一個(gè)變量wall_to_monotonic，記錄了墻上時(shí)間和monotonic時(shí)間之間的偏移量，當(dāng)需要獲得monotonic時(shí)間時(shí)，把xtime和wall_to_monotonic相加即可，因?yàn)槟J(rèn)啟動(dòng)時(shí)monotonic時(shí)間為0，所以實(shí)際上wall_to_monotonic的值是一個(gè)負(fù)數(shù)，它和xtime同一時(shí)間被初始化，請(qǐng)參考timekeeping_init函數(shù)。

計(jì)算monotonic時(shí)間要去除系統(tǒng)休眠期間花費(fèi)的時(shí)間，內(nèi)核用total_sleep_time記錄休眠的時(shí)間，每次休眠醒來(lái)后重新累加該時(shí)間，并調(diào)整wall_to_monotonic的值，使其在系統(tǒng)休眠醒來(lái)后，monotonic時(shí)間不會(huì)發(fā)生跳變。因?yàn)閣all_to_monotonic值被調(diào)整。所以如果想獲取boot time，需要加入該變量的值：

[cpp]?view plain?copy

void?get_monotonic_boottime(struct?timespec?*ts)??

{??

......??

do?{??

seq?=?read_seqbegin(&timekeeper.lock);??

*ts?=?timekeeper.xtime;??

tomono?=?timekeeper.wall_to_monotonic;??

"color:#ff0000;">sleep?=?timekeeper.total_sleep_time;??

nsecs?=?timekeeping_get_ns();??

}?while?(read_seqretry(&timekeeper.lock,?seq));??

set_normalized_timespec(ts,?ts->tv_sec?+?tomono.tv_sec?+?sleep.tv_sec,??

ts->tv_nsec?+?tomono.tv_nsec?+?sleep.tv_nsec?+?nsecs);??

}??

raw_time字段用來(lái)表示真正的硬件時(shí)間，也就是上面所說(shuō)的raw monotonic time，它不受時(shí)間調(diào)整的影響，monotonic時(shí)間雖然也不受settimeofday的影響，但會(huì)受到ntp調(diào)整的影響，但是raw_time不受ntp的影響，他真的就是開完機(jī)后就單調(diào)地遞增。xtime、monotonic-time和raw_time可以通過(guò)用戶空間的clock_gettime函數(shù)獲得，對(duì)應(yīng)的ID參數(shù)分別是 CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_MONOTONIC_RAW。

clock字段則指向了目前timekeeper所使用的時(shí)鐘源，xtime，monotonic time和raw time都是基于該時(shí)鐘源進(jìn)行計(jì)時(shí)操作，當(dāng)有新的精度更高的時(shí)鐘源被注冊(cè)時(shí)，通過(guò)timekeeping_notify函數(shù)，change_clocksource函數(shù)將會(huì)被調(diào)用，timekeeper.clock字段將會(huì)被更新，指向新的clocksource。

早期的內(nèi)核版本中，xtime、wall_to_monotonic、raw_time其實(shí)是定義為全局靜態(tài)變量，到我目前的版本（V3.4.10），這幾個(gè)變量被移入到了timekeeper結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)在只需維護(hù)一個(gè)timekeeper全局靜態(tài)變量即可：

[cpp]?view plain?copy

static?struct?timekeeper?timekeeper;??

3. ?timekeeper的初始化

timekeeper的初始化由timekeeping_init完成，該函數(shù)在start_kernel的初始化序列中被調(diào)用，timekeeping_init首先從RTC中獲取當(dāng)前時(shí)間：

[cpp]?view plain?copy

void?__init?timekeeping_init(void)??

{??

struct?clocksource?*clock;??

unsigned?long?flags;??

struct?timespec?now,?boot;??

read_persistent_clock(&now);??

read_boot_clock(&boot);??

然后對(duì)鎖和ntp進(jìn)行必要的初始化：

[cpp]?view plain?copy

seqlock_init(&timekeeper.lock);??

ntp_init();??

接著獲取默認(rèn)的clocksource，如果平臺(tái)沒有重新實(shí)現(xiàn)clocksource_default_clock函數(shù)，默認(rèn)的clocksource就是基于jiffies的clocksource_jiffies，然后通過(guò)timekeeper_setup_inernals內(nèi)部函數(shù)把timekeeper和clocksource進(jìn)行關(guān)聯(lián)：

[cpp]?view plain?copy

write_seqlock_irqsave(&timekeeper.lock,?flags);??

clock?=?clocksource_default_clock();??

if?(clock->enable)??

clock->enable(clock);??

timekeeper_setup_internals(clock);??

利用RTC的當(dāng)前時(shí)間，初始化xtime，raw_time，wall_to_monotonic等字段：

[cpp]?view plain?copy

timekeeper.xtime.tv_sec?=?now.tv_sec;??

timekeeper.xtime.tv_nsec?=?now.tv_nsec;??

timekeeper.raw_time.tv_sec?=?0;??

timekeeper.raw_time.tv_nsec?=?0;??

if?(boot.tv_sec?==?0?&&?boot.tv_nsec?==?0)?{??

boot.tv_sec?=?timekeeper.xtime.tv_sec;??

boot.tv_nsec?=?timekeeper.xtime.tv_nsec;??

}??

set_normalized_timespec(&timekeeper.wall_to_monotonic,??

-boot.tv_sec,?-boot.tv_nsec);??

最后，初始化代表實(shí)時(shí)時(shí)間和monotonic時(shí)間之間偏移量的offs_real字段，total_sleep_time字段初始化為0：

[cpp]?view plain?copy

update_rt_offset();??

timekeeper.total_sleep_time.tv_sec?=?0;??

timekeeper.total_sleep_time.tv_nsec?=?0;??

write_sequnlock_irqrestore(&timekeeper.lock,?flags);??

[cpp]?view plain?copy

}??

xtime字段因?yàn)槭潜４嬖趦?nèi)存中，系統(tǒng)掉電后無(wú)法保存時(shí)間信息，所以每次啟動(dòng)時(shí)都要通過(guò)timekeeping_init從RTC中同步正確的時(shí)間信息。其中，read_persistent_clock和read_boot_clock是平臺(tái)級(jí)的函數(shù)，分別用于獲取RTC硬件時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)的時(shí)間，不過(guò)值得注意到是，到目前為止（我的代碼樹基于3.4版本），ARM體系中，只有tegra和omap平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了read_persistent_clock函數(shù)。如果平臺(tái)沒有實(shí)現(xiàn)該函數(shù)，內(nèi)核提供了一個(gè)默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)：

[cpp]?view plain?copy

void?__attribute__((weak))?read_persistent_clock(struct?timespec?*ts)??

{??

ts->tv_sec?=?0;??

ts->tv_nsec?=?0;??

}??

[cpp]?view plain?copy

void?__attribute__((weak))?read_boot_clock(struct?timespec?*ts)??

{??

ts->tv_sec?=?0;??

ts->tv_nsec?=?0;??

}??

那么，其他ARM平臺(tái)是如何初始化xtime的？答案就是CONFIG_RTC_HCTOSYS這個(gè)內(nèi)核配置項(xiàng)，打開該配置后，driver/rtc/hctosys.c將會(huì)編譯到系統(tǒng)中，由rtc_hctosys函數(shù)通過(guò)do_settimeofday在系統(tǒng)初始化時(shí)完成xtime變量的初始化：

[cpp]?view plain?copy

static?int?__init?rtc_hctosys(void)???

{???

......???

err?=?rtc_read_time(rtc,?&tm);???

......??

rtc_tm_to_time(&tm,?&tv.tv_sec);???

do_settimeofday(&tv);???

......???

return?err;???

}???

late_initcall(rtc_hctosys);??

4. ?時(shí)間的更新

xtime一旦初始化完成后，timekeeper就開始獨(dú)立于RTC，利用自身關(guān)聯(lián)的clocksource進(jìn)行時(shí)間的更新操作，根據(jù)內(nèi)核的配置項(xiàng)的不同，更新時(shí)間的操作發(fā)生的頻度也不盡相同，如果沒有配置NO_HZ選項(xiàng)，通常每個(gè)tick的定時(shí)中斷周期，do_timer會(huì)被調(diào)用一次，相反，如果配置了NO_HZ選項(xiàng)，可能會(huì)在好幾個(gè)tick后，do_timer才會(huì)被調(diào)用一次，當(dāng)然傳入的參數(shù)是本次更新離上一次更新時(shí)相隔了多少個(gè)tick周期，系統(tǒng)會(huì)保證在clocksource的max_idle_ns時(shí)間內(nèi)調(diào)用do_timer，以防止clocksource的溢出：
?

[cpp]?view plain?copy

void?do_timer(unsigned?long?ticks)??

{??

jiffies_64?+=?ticks;??

update_wall_time();??

calc_global_load(ticks);??

}??

在do_timer中，jiffies_64變量被相應(yīng)地累加，然后在update_wall_time中完成xtime等時(shí)間的更新操作，更新時(shí)間的核心操作就是讀取關(guān)聯(lián)clocksource的計(jì)數(shù)值，累加到xtime等字段中，其中還設(shè)計(jì)ntp時(shí)間的調(diào)整等代碼，詳細(xì)的代碼就不貼了。

5. ?獲取時(shí)間

timekeeper提供了一系列的接口用于獲取各種時(shí)間信息。

void getboottime(struct timespec *ts); ? ?獲取系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻的實(shí)時(shí)時(shí)間

void get_monotonic_boottime(struct timespec *ts);??? ?獲取系統(tǒng)啟動(dòng)以來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，包含休眠時(shí)間

ktime_t ktime_get_boottime(void);? ?獲取系統(tǒng)啟動(dòng)以來(lái)所經(jīng)過(guò)的c時(shí)間，包含休眠時(shí)間，返回ktime類型

ktime_t ktime_get(void); ? ?獲取系統(tǒng)啟動(dòng)以來(lái)所經(jīng)過(guò)的c時(shí)間，不包含休眠時(shí)間，返回ktime類型

void ktime_get_ts(struct timespec *ts) ; ??獲取系統(tǒng)啟動(dòng)以來(lái)所經(jīng)過(guò)的c時(shí)間，不包含休眠時(shí)間，返回timespec結(jié)構(gòu)

unsigned long get_seconds(void); ? ?返回xtime中的秒計(jì)數(shù)值

struct timespec current_kernel_time(void); ? ?返回內(nèi)核最后一次更新的xtime時(shí)間，不累計(jì)最后一次更新至今clocksource的計(jì)數(shù)值

void getnstimeofday(struct timespec *ts); ? ?獲取當(dāng)前時(shí)間，返回timespec結(jié)構(gòu)

void do_gettimeofday(struct timeval *tv); ? ?獲取當(dāng)前時(shí)間，返回timeval結(jié)構(gòu)

?