HZ与Jiffies

2.4　内核定时器

内核中许多部分的工作都高度依赖于时间信息。Linux内核利用硬件提供的不同的定时器以支持忙等待或睡眠等待等时间相关的服务。忙等待时，CPU 会不断运转。但是睡眠等待时，进程将放弃CPU。因此，只有在后者不可行的情况下，才考虑使用前者。内核也提供了某些便利，可以在特定的时间之后调度某函 数运行。

我们首先来讨论一些重要的内核定时器变量（jiffies、HZ和xtime）的含义。接下来，我们会使用Pentium时间戳计数器（TSC）测量基于Pentium的系统的运行次数。之后，我们也分析一下Linux怎么使用实时钟（RTC）。

2.4.1　HZ和Jiffies

系统定时器能以可编程的频率中断处理器。此频率即为每秒的定时器节拍数，对应着内核变量HZ。选择合适的HZ值需要权衡。HZ值大，定时器间隔时间 就小，因此进程调度的准确性会更高。但是，HZ值越大也会导致开销和电源消耗更多，因为更多的处理器周期将被耗费在定时器中断上下文中。

HZ的值取决于体系架构。在x86系统上，在2.4内核中，该值默认设置为100；在2.6内核中，该值变为1000；而在2.6.13中，它又被 降低到了250。在基于ARM的平台上，2.6内核将HZ设置为100。在目前的内核中，可以在编译内核时通过配置菜单选择一个HZ值。该选项的默认值取 决于体系架构的版本。

2.6.21内核支持无节拍的内核（CONFIG_NO_HZ），它会根据系统的负载动态触发定时器中断。无节拍系统的实现超出了本章的讨论范围，不再详述。

jiffies变量记录了系统启动以来，系统定时器已经触发的次数。内核每秒钟将jiffies变量增加HZ次。因此，对于HZ值为100的系统，1个jiffy等于10ms，而对于HZ为1000的系统，1个jiffy仅为1ms。

为了更好地理解HZ和jiffies变量，请看下面的取自IDE驱动程序（drivers/ide/ide.c）的代码片段。该段代码会一直轮询磁盘驱动器的忙状态：

unsigned long timeout = jiffies + (3*HZ);  
while (hwgroup->busy) {  
  /* ... */  
  if (time_after(jiffies, timeout)) {  
    return -EBUSY;  
  }  
  /* ... */  
}  
return SUCCESS; 
如果忙条件在3s内被清除，上述代码将返回SUCCESS，否则，返回-EBUSY。3*HZ是3s内的jiffies数量。计算出来的超时 jiffies + 3*HZ将是3s超时发生后新的jiffies值。time_after()的功能是将目前的jiffies值与请求的超时时间对比，检测溢出。类似函数 还包括time_before()、time_before_eq()和time_after_eq()。

jiffies被定义为volatile类型，它会告诉编译器不要优化该变量的存取代码。这样就确保了每个节拍发生的定时器中断处理程序都能更新jiffies值，并且循环中的每一步都会重新读取jiffies值。

对于jiffies向秒转换，可以查看USB主机控制器驱动程序drivers/usb/host/ehci-sched.c中的如下代码片段：

if (stream->rescheduled) {  
  ehci_info(ehci, "ep%ds-iso rescheduled " "%lu times in %lu  
            seconds\n", stream->bEndpointAddress, is_in? "in":  
            "out", stream->rescheduled,  
            ((jiffies - stream->start)/HZ));  
} 
上述调试语句计算出USB端点流（见第11章）被重新调度stream->rescheduled次所耗费的秒数。jiffies-stream->start是从开始到现在消耗的jiffies数量，将其除以HZ就得到了秒数值。

假定jiffies值为1000，32位的jiffies会在大约50天的时间内溢出。由于系统的运行时间可以比该时间长许多倍，因此，内核提供了 另一个变量jiffies_64以存放64位（u64）的jiffies。链接器将jiffies_64的低32位与32位的jiffies指向同一个地 址。在32位的机器上，为了将一个u64变量赋值给另一个，编译器需要2条指令，因此，读jiffies_64的操作不具备原子性。可以将 drivers/cpufreq/cpufreq_stats.c文件中定义的cpufreq_stats_update()作为实例来学习。