linux下的时间管理概述

2017/6/21

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时间这一概念在生活中至关重要，而在操作系统中也同样重要，其在系统中的功能绝不仅仅是给用户提供时间这么简单，内核的许多机制都依赖于时间子系统。但凡是要在某个精确的时间执行某个事件，必然会用到时间子系统。而内核中定时器的发展可以以2.6版本的内核作为一个分界点。之前主要是低分辨率定时器，2.6开发期间便引入了高分辨率定时器。分辨率的高低意味着时间粒度的大小。

本节重点介绍下涉及到的几个重点概念

1. 时钟设备
2. 周期时钟/动态时钟
3. 高分辨率/低分辨率
4. 定时器

时钟设备时钟设备算是最低层的硬件设备，具体的信号由时钟设备触发，其最主要的功能就是提供周期时钟。传统定时器就是基于这种周期时钟的。周期时钟的一个特性就是按照固定的时间间隔触发事件，这里就是引起中断。回想早起的基于时间片的进程调度算法可知周期时钟在其中扮演着不可或缺的作用。时钟设备有两个关键特性：1、支持周期性事件。2、支持单点触发事件。前者是实现周期时钟的基础。单点触发模式下，事件只能执行一次，下次的执行需要重新编程，显示设置执行的时间。所以后者是动态时钟的基础。 当时钟设备初始化时，默认是采用周期模式工作的。 且在初始化时，如果还没有明确的全局时钟设备，则采用该设备担当此职责。

周期时钟/动态时钟周期时钟和动态时钟仅仅是上述时钟设备工作的两种不同的模式。周期时钟负责周期性的触发事件；而动态时钟状态下，可以根据实际需要启用/禁止周期时钟。例如在电脑无事可做时，就不需要周期性的触发事件，这种情况下可以禁止周期时钟达到省电的效果。使用动态时钟的前提条件是时钟设备支持单点触发模式，否则无法启用动态时钟。在支持单点触发模式的时钟设备支持下，可以由周期时钟切换到动态时钟。

高分辨率/低分辨率分辨率的高低即需要硬件的支撑也需要软件的实现。二者和周期时钟以及动态时钟的关系是正交的，即低分辨率下可以实现周期时钟和动态时钟；高分辨率下也可以实现周期时钟和动态时钟。需要注意的是低分辨率下的动态时钟需要单点触发设备的支持，并且编译内核时需要选择固定的项。而在高分辨率下的周期时钟是通过模拟实现的，由于高分辨率下设备总是单点触发模式，所以其通过一个高分辨率定时器显示的设置周期性事件。

定时器定时器是在上述机制的基础上实现的延迟机制。分为低分辨率定时器和高分辨率定时器。低分辨率定时器在低分辨率系统上实现；而高分辨率定时器在二者均可实现，但是碍于低分辨率设备的限制，不能提供高分辨率信号，感觉仅仅是在高分辨率框架下实现的低分辨率定时器

时间子系统最主要的功能还是维护系统时间的有序性，以及基于时间所需要的一系列工作。而现在硬件架构多为多处理器架构，单个时钟设备下虽然也可以达到目的，但是会额外增加许多处理器间的通信开销，因此，现代处理器多为每个CPU都分配一个时钟设备。由其中一个负责全局的时间管理，如jiffies的更新，墙上时间的更新，以及计算全局负载。而局部的CPU上的设备一般负责进程统计、性能剖析和实现高分辨率定时器。高分辨率定时器只能工作在提供局部时钟设备的系统上，否则由于分辨率的增加，引起的时钟中断数量会急促增长造成CPU间的大量通信，从而降低系统性能。

参考资料：深入linux内核架构、linux3.10.1内核源码