Linux内核时间管理（二）——jiffies与jiffies_64释疑

Linux内核中定义了jiffies变量来记录从系统启动到当前时刻系统时钟所产生的tick数。jiffies变量是一个无符号整型数值，即unsigned long类型。它的声明如下（在 include/linux/jiffies.h 中）：

extern u64 __jiffy_data jiffies_64;

由此可见，jiffies变量在32位系统中的长度是32位，在64位系统中长度为64位。

在32位系统中，HZ=1000时，jiffies只要约 49.7 天就会发生回绕（溢出），而回绕会给内核时间度量带来混乱和其他潜在的问题。因此，在Linux2.6内核中引入一个64位的无符号整型变量jiffies_64，内核中计时都是对jiffies_64进行递增。jiffies_64也在 include/linux/jiffies.h 中有声明：

extern u64 __jiffy_data jiffies_64;

其中，u64为unsigned long long类型。在 1000HZ 的情况下，该变量运行几亿年都不会发出回绕，从而有效防止了回绕可能引起的问题。这就是定义jiffies_64变量的原因。

那么，既然在32位机器上也是用64位计时，为什么不直接把jiffies变量改为u64类型呢？或者说干脆用jiffies_64来代替jiffies呢？根本原因是为了保持兼容性及访问效率！从兼容性方面来看，大量的驱动程序使用jiffies 变量来进行一些与时间相关的操作，所以内核中需要保留该变量，以免影响系统功能；从访问效率方面来看，因为在 32 位的系统中访问 64 位的 jiffies_64 变量需要进行两次内存访问，一来访问速度没有直接访问 jiffies 来得快，二来无法保证原子性（在两次内存访问中间可能会被中断，从而造成读取数据的不正确）。但是当真的需要访问jiffies_64变量时（一般在驱动程序中很少访问 jiffies_64，通常只有内核核心代码才会访问），内核也提供了 get_jiffies_64() 函数来访问。该函数采用了加锁机制（xtime_lock），以防止读取数据的不正确。

虽然，jiffies和jiffies_64是两个变量，但它们最终指向相同的地址，只是jiffies取的是jiffies_64变量的低32位。这种效果通过链接程序实现的。通过链接器（ld）脚本 vmlinux.lds （x86 上位于 arch/x86/kernel下） 可看到：

 OUTPUT_FORMAT("elf32-i386", "elf32-i386", "elf32-i386")
 OUTPUT_ARCH(i386)
 ENTRY(phys_startup_32)
 jiffies = jiffies_64;

其中最后一条语句的作用是，让符号jiffies的地址等于符号jiffies_64的地址，即让jiffies变量占用 jiffies_64 的低 32 位。这里涉及到链接器中的一个重要的概念：

在目标文件内定义的符号可以在链接器脚本内赋值，此时该符号应被定义为全局的。每个符号都对应一个地址，在链接器中的赋值（=）操作就是更改这个符号对应的地址。

所以，这和 C 语言中的等于（=）是完全不同的概念：C 中是赋值，链接器中是改变地址。

另外，jiffies_64 变量会被初始化为 INITIAL_JIFFIES ，该值定义在文件 include/linux/jiffies.h 中：

 /*
  * Have the 32 bit jiffies value wrap 5 minutes after boot
  * so jiffies wrap bugs show up earlier.
  */
 #define INITIAL_JIFFIES ((unsigned long)(unsigned int) (-300*HZ))

这样，就使得系统在启动后 5 分钟时发生 jiffies 回绕。这么做有利于及早暴露设备驱动程序中可能的 jiffies 回绕导致的逻辑错误，方便驱动程序的开发。

参考文献：

【1】：http://www.groad.net/bbs/thread-3352-1-1.html

【2】：http://bbs.csdn.net/topics/320154818

【3】：《Linux内核设计与实现（原书第3版）》第11章