linux 时间管理——概念、注意点(一)【转】

转自：http://www.cnblogs.com/openix/p/3324243.html

参考：1、http://bbs.eyeler.com/thread-69-1-1.html                                                                           
         2、《Linxu Kernel Development》3ed_CN p166~p185
         3、《Professional Linux Kernel Architecture》1ed_CN p714~p760
         4、http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/8017604
         5、2.6.34

此记录的主要目的记录下如上参考中的一些知识点、基本概念，以及作为后续记录的参考。

　　对于unicore的内核2.6.32.9，其时间子系统是基于低分辨率周期时钟实现的，但是在此记录及后续的记录中将会谈下“低分辨率动态时钟、高分辨率动态时钟、高分辨率周期时钟”。

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内核中的两种定时器：

1、timeout：表示将在一定时间之后发生的事件，但可以且通常会在发生之前取消。
2、timer: 用于实现时序，此类定时器通常都会到期，而且与超时类定时器相比，需要更高的时间分辨率。

timer wheel的实现要点在于：

timer wheel的实现可以自行参考内核代码，网上讲的也很多。
1、void __run_timers(struct tvec_base *base)
    在当前第一组tv1的元素全被遍历后（函数也会执行），将会调用cascade函数，主要的功能就在于取下特定tv数组下的某一个数组元素中的链表，然后重新加入前面的各个数组的各个数组元数的链表中。方法比较巧妙，这样每次执行定时函数时只需从tv1上取出过期的节点即可执行，但是我们也需要注意执行cascade的时间也可能会很长。

2、void internal_add_timer(struct tvec_base *base, struct timer_list *timer)
    注意其中是如何索引到各个数组的数组元素下标的：
    unsigned long idx = expires - base->timer_jiffies;下标
    vec = base->tv[1..5].vec + i; 插入哪个链表

低分辨率定时器的重要性在于：

1）处理全局jiffies计数器。该值周期性地增长（如果使用了低分辨率动态时钟，可能不会周期性增长),它是一种特别简单的时间基准。
 
2）进行各进程统计。

内核中的各种time,注意下struct timekeeper timekeeper:

1）wall time
    RTC time
    在SOC系统中，RTC可以集成到SOC芯片中，并做为一个单独的电压域，系统掉电时，可由后备电池供电，RTC中的时间信息不会丢失。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。
    xtime
    A value representation of the human time of day;日常生活中所见的钟表时间，精度可达纳秒级。
    xtime和RTC时间一样，都是人们日常生活所使用的墙上时间，只是RTC时间的精度比较低，大多数情况下只能达到毫秒级的精度，如果是使用外部的RTC芯片，访问速度也比较慢，为此，内核维护了另一个wall time时间：xtime。因为xtime实际上是一个内存变量，它的访问速度非常快，内核大部分时间都是使用xtime来获得当前时间信息。xtime记录的是1970年1月1日到当前时刻所经历的纳秒数。
    xtime在正常情况下是递增的，但是用户可以主动向前或向后调整墙上时间，从而修改xtime。
2) monotonic time
    A monotonically increasing value that represents the amount of time that the system has been running.
    开机后单调递增，它不像xtime可能因用户进行时间调整而产生改变，该时间不计算系统休眠的时间，即系统休眠时，monotonic不会递增。
    monotonic时间不可以往后退，系统启动后只能不断递增。内核并没有直接定义一个特定的变量来记录monotonic时间，而是定义了一个变量wall_to_monotonic，记录了墙上时间和monotonic时间之间的偏移量，当需要获得monotonic时间时，把xtime和wall_to_monotonic相加即可。计算monotonic时间要去除系统休眠期间花费的时间，内核用total_sleep_time记录休眠的时间，每次休眠醒来后重新累加该时间，并调整wall_to_monotonic的值，使其在系统休眠醒来后，monotonic时间不会发生跳变。
3）raw_time
    monotonic时间虽然不受settimeofday的影响，但会受到ntp调整的影响，但是raw_time不受ntp的影响，它真的就是开完机后就单调地增加。
    xtime、monotonic time和raw_time可以通过用户空间的clock_gettime函数获得，对应的ID参数分别是CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_MONOTONIC_RAW。

4)clock source
    A representation of a free running counter running at a known frequency, usually in hardware.
    xtime、monotonic time、raw time都是基于该时钟源进行计时操作，当有新的精度更高的时钟源被注册时，通过timekeeping_notify函数，change_clocksource函数将会被调用，timekeeper.clock字段将会被更新，指向新的clocksource
5)tick
    A periodic interrupt generated by a hardware-timer, typically with a fixed interval defined by HZ: jiffies

对于SMP，内核区分如下两种时钟类型：

1)全局时钟(global clock),负责提供周期时钟，主要用于jiffies更新。
2)每个CPU一个局部时钟(local clock),用来进行进程统计、性能剖析和实现高分辨率定时器。
  全局时钟的角色，由一个明确选择的局部时钟承担（tick_setup_device函数中，会首次作出选择）

在设备第一次调用tick_seup_device时（即该时钟设备没有相关的时钟事件设备），内核执行如下操作：

1)如果没有选定时钟设备来承担全局时钟设备的角色，那么将选择当前设备来承担此职责，而tick_do_timer_cpu将设置为当前设备所属的处理器编号(注意，如果放弃职责该如何处理，可以参考tick_do_timer_cpu定义处的注释)。tick_period是时钟周期，单位是纳秒，它根据HZ值设置。
2)该设中设备设置为按周期模式工作。

关于上文中提到的2），什么时候会切换成one shot模式？

关注下hrtimer_run_queues,里面调用了tick_check_oneshot_change来判断是否可以激活高分辨率定时器。此外该函数还检查是否可以在低分辨率系统上启用动态时钟。(如果有一个支持单触发模式的时钟，而且其精度可以达到高分辨率定时器所要求的分辨率，即设置了CLOCK_SOURCE_VALID_FOR_HRES标志，那么tick_check_oneshot_change将通知内核可以使用高分辨率定时器)
留意下，在设备被设置成高分辨率周期时钟、高分辨率动态时钟时的中断处理函数的选择。(tick_handle_periodic、hrtimer_interrupt、tick_nohz_handler)

/*
* tick_do_timer_cpu is a timer core internal variable which holds the CPU NR
* which is responsible for calling do_timer(), i.e. the timekeeping stuff. This
* variable has two functions:
*
* 1) Prevent a thundering herd issue of a gazillion of CPUs trying to grab the
* timekeeping lock all at once. Only the CPU which is assigned to do the
* update is handling it.
*
* 2) Hand off the duty in the NOHZ idle case by setting the value to
* TICK_DO_TIMER_NONE, i.e. a non existing CPU. So the next cpu which looks
* at it will take over and keep the time keeping alive. The handover
* procedure also covers cpu hotplug.
*/
int tick_do_timer_cpu __read_mostly = TICK_DO_TIMER_BOOT;

动态时钟&WHY

在关注耗电量的系统上，周期性时钟要求系统在一定的频率下，周期性的处于活动状态。因此，长时间休眠是不可能的。引入动态时钟后，只有在有些任务需要实际执行时，才激活周期时钟。否则，会临时禁用周期时钟。对该技术的支持可以在编译时选择，启动此选项的系统也称为无时钟系统(tickless system)
在系统无事所做的idle阶段，我们可以通过停止周期时钟来达到降低系统功耗的目的，只要有进程处于活动状态，时钟事件依然会被周期性地发出。

在内核中，如定义了CONFIG_NO_HZ宏，则说明内核支持动态时钟；但是我们得明白，CONFIG_NO_HZ并不意味着没有HZ的概念（周期性更新系统统计量），主要区别在于当我们配置CONFIG_NO_HZ时说明：

1)系统支持动态时钟。启用动态时钟时，也定义且使用了HZ，因为它是许多计时任务的基本量。动态和周期时钟在表面上没有什么区别，主要的区别在于 进/退 IDLE时的不同处理方法。
2)系统可能需要停止时钟机制（此时将不会再周期性的产生时钟中断，例如系统进入IDLE）或重启时钟机制（系统退出IDLE）。
3)根据2)，由于可以暂时停止时钟机制，因此单触发时钟是实现动态时钟的先决条件。(但是请注意，即使时钟设备处于单触发模式，也并不一定启用了动态时钟！例如，在高分辨率模式下，时钟总是基于单触发定时器实现的。)

高分辨率时钟如何实现周期时钟的仿真：

在内核切换到高分辨率模式时，将调用tick_setup_sched_timer来激活时钟仿真层。这将为每个CPU安装一个高分辨率定时器。所需的struct hrtime实例保存在CPU变量tick_cpu_sched中：该定时器的回调函数选择了tick_sched_timer，通过返回HRTIMER_RESTART,定时器将自动重新进入队列，并在下一个时钟到期时激活。

内核需要处理的情形：

1、没有动态时钟的低分辨率系统，总是使用周期时钟。该内核不包括任何对单触发操作的支持。
2、启用了动态时钟特性的低分辨率系统，以单触发模式使用时钟设备。
3、高分辨率系统总是使用单触发模式，无论是否启用了动态时钟特性。

关于宏：

这一项显得“理论、教条”，因为我很少接触SMP、至于龙芯系类也只接触了一小段时间。
1、启用动态时钟：CONFIG_NO_HZ
2、启用高分辨率定时器支持：CONFIG_HIGH_RES_TIMERS
3、支持动态时钟和高分辨率定时器的必要前提：GENERIC_TIME、GENERIC_CLOCKEVENTS
4、支持时钟事件的单触发模式：CONFIG_TICK_ONESHOT，如果启用了动态时钟或高分辨率定时器，则自动选中该项

时钟源(struct clocksource):时间管理的支柱。本质上每个时钟源都提供了一个单调增加的计数器，通用的内核代码只能进行只读访问。不同时钟源的精度取决于底层硬件的能力。clocksource不能被编程、没有事件产生能力。

关于clocksource中几个关键域：
read:时钟源本身不会产生中断，要获得时钟源的当前计数，只能通过主动调用它的read回调函数来获得当前技术值，注意这里只获
得计数值，也就是所谓的cycle，要获得相应的时间，必须要借助clocksource的mult和shift字段进行转换计算。
void __clocksource_updatefreq_scale(struct clocksource *cs, u32 scale, u32 freq)

mult和shift域：因为从clocksource中读到的值是一个cycle计数值，要转换为时间，必须知道驱动clocksource的时钟频率F,但是clocksource并没有保存时钟的频率F，内核使用的方法是：根据时钟的频率和期望的精度，事先计算出两个辅助常数mult和shift，然后使用下公式进行cycle和t的转换：
    t = (cycle * mult) >> shift;
但是要保证：F = （1  << shift ) / mult；（一般PLL都是先倍频，再分频，很容易计算）
内核内部使用64位进行该转换计算：
static inline s64 clocksource_cyc2ns(cycle_t cycles, u32 mult, u32 shift)
    |---->return ((u64) cycle * mult) >> shift;
问题在于如果mult太大，计算会发生溢出，因此mult值不能太大。内核假设cycle计数值被转换后的最大时间值为:10分钟(600s),原因在于CPU进入IDLE状态后，时间信息不会被更新，只要在10分钟内退出IDLE，clocksource的cycle计数值就可以被正确的转换为相
应的时间，然后系统的时间信息可以被正确的更新。结果不一定是10分钟，该值由clocksource_max_deferment进行计算，并保存在max_idle_ns字段中，tickless的代码需要考虑这个值，以防止在使用动态时钟时，系统保持IDLE状态的时间过长。

时钟事件设备(struct clock_event_device):向时钟增加了事件功能，在未来的某个时刻发生。这种设备也称为时钟事件源(clock event source)。clock_event_device可以被编程，可以工作在周期模式或单次触发模式，系统可以对它进行编程，以确定下次事件触发的时间，clock_event_device主要用于实现普通定时器和高精度定时器，同时也用于产生tick事件，供给进程调度子系统使用。在软件架构上，clock_evetn_device被分为两层，与硬件相关的放在machine层，与硬件无关的通用代码则被集中到了通用时间框架。
时钟设备(struct tick_device):扩展了时钟事件源的功能，各个时钟事件定期触发。但可以使用动态时钟机制，在一定时间间隔内停止周期时钟。                                                                   
下图引述自：http://blog.csdn.net/droidphone/article/details/8017604