Nginx的时间管理

gettimeofday()的开销
在Linux中，Nginx通过gettimeofday()获取系统当前时间；
gettimeofday是C库提供的函数（不是系统调用），它封装了内核里的sys_gettimeofday系统调用。
Linux的系统调用通过int 80h实现，用系统调用号来区分入口函数，步骤大致如下：
1 API将系统调用号存入EAX，然后通过中断调用使系统进入内核态；
2 内核中的中断处理函数根据系统调用号，调用对应的内核函数（系统调用）；
3 系统调用完成相应功能，将返回值存入EAX，返回到中断处理函数；
4 中断处理函数返回到API中；
5 API将EAX返回给应用程序

然而除了基本的系统调用外，x86_64还提供了sysenter/vsyscall方式获取内核态数据，vsyscall在内存中创建内核态的共享页面，用户态也有权访问，可不经过系统中断和陷入内核获取内核信息；
gettimeofday()便是通过vsyscall实现了系统调用。

更新时间缓存
为避免每次都调用OS的gettimeofday，nginx采用时间缓存，每个worker进程都能自行维护；
为控制并发访问，每次更新时间缓存前需申请锁，而读时间缓存无须加锁；
为避免分裂读，即某worker进程读时间缓存过程中接受中断请求，期间时间缓存被其他worker更新，导致前后读取时间不一致；nginx引入时间缓存数组(共64个成员)，每次都更新数组中的下一个元素；
 更新时间通过ngx_time_update()实现
typedef struct {
    time_t      sec;
    ngx_uint_t  msec;
    ngx_int_t  gmtoff;
 } ngx_time_t;
volatile ngx_time_t    *ngx_cached_time;
volatile ngx_str_t      ngx_cached_err_log_time;
volatile ngx_str_t      ngx_cached_http_time;
volatile ngx_str_t      ngx_cached_http_log_time;
volatile ngx_str_t      ngx_cached_http_log_iso8601;

static ngx_time_t        cached_time[NGX_TIME_SLOTS];
static u_char            cached_err_log_time[NGX_TIME_SLOTS][sizeof("1970/09/28 12:00:00")];
static u_char            cached_http_time[NGX_TIME_SLOTS][sizeof("Mon, 28 Sep 1970 06:00:00 GMT")];
static u_char            cached_http_log_time[NGX_TIME_SLOTS][sizeof("28/Sep/1970:12:00:00 +0600")];
static u_char            cached_http_log_iso8601[NGX_TIME_SLOTS][sizeof("1970-09-28T12:00:00+06:00")];
static u_char            cached_syslog_time[NGX_TIME_SLOTS][sizeof("Sep 28 12:00:00")];

void
ngx_time_update(void)
{
    u_char          *p0, *p1, *p2, *p3, *p4;
    ngx_tm_t        tm, gmt;
    time_t          sec;
    ngx_uint_t      msec;
    ngx_time_t      *tp;
    struct timeval  tv;

    if (!ngx_trylock(&ngx_time_lock)) {--更新缓存前需获取ngx_time_lock
        return;
    }

    ngx_gettimeofday(&tv);--宏定义，调用os的gettimeofday(tp, null)

    sec = tv.tv_sec;
    msec = tv.tv_usec / 1000;
    ngx_current_msec = (ngx_msec_t) sec * 1000 + msec;

    tp = &cached_time[slot]; --读当前时间缓存

    if (tp->sec == sec) { --如果缓存的时间秒=当前时间秒，直接更新当前slot元素的msec并返回，否则更新下一个slot数组元素；
        tp->msec = msec;
        ngx_unlock(&ngx_time_lock);
        return;
    }

    if (slot == NGX_TIME_SLOTS - 1) {
        slot = 0;
    } else {
        slot++;
    }

    tp = &cached_time[slot];
    tp->sec = sec;
    tp->msec = msec;
    ngx_gmtime(sec, &gmt);

    p0 = &cached_http_time[slot][0]; 
--ngx_sprintf读取所有参数并调用ngx_vslprintf，将后续参数以第二个参数的格式复制到P0开始的内存区，即给cached_http_time[slot]赋值，
--后续的cached_err_log_time[slot] & cached_http_log_time[slot] & cached_http_log_iso8601[slot] & cached_syslog_time[slot]也同理
    (void) ngx_sprintf(p0, "%s, %02d %s %4d %02d:%02d:%02d GMT",
                      week[gmt.ngx_tm_wday], gmt.ngx_tm_mday,
                      months[gmt.ngx_tm_mon - 1], gmt.ngx_tm_year,
                      gmt.ngx_tm_hour, gmt.ngx_tm_min, gmt.ngx_tm_sec);

        ..................
    ngx_memory_barrier();--禁止编译器对后面的语句优化，如果没有这个限制，编译器可能将前后两部分代码合并，可能导致这6个时间更新出现间隔，期间若被读取会出现时间不一致的情况

    ngx_cached_time = tp;
    ngx_cached_http_time.data = p0;
    ngx_cached_err_log_time.data = p1;
    ngx_cached_http_log_time.data = p2;
    ngx_cached_http_log_iso8601.data = p3;
    ngx_cached_syslog_time.data = p4;

    ngx_unlock(&ngx_time_lock);
}

ngx_time_update()调用最频繁的是在worker进程处理事件时
ngx_worker_process_cycle -- ngx_process_events_and_timers -- ngx_process_events
#define ngx_process_events  ngx_event_actions.process_events
以epoll为例，其对应API为ngx_epoll_process_events
ngx_epoll_process_events(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer, ngx_uint_t flags)
    events = epoll_wait(ep, event_list, (int) nevents, timer);
    err = (events == -1) ? ngx_errno : 0;
    if (flags & NGX_UPDATE_TIME || ngx_event_timer_alarm) { 
        ngx_time_update();
    }
epoll_wait()阻塞时可以被三种事件唤醒：读写事件发生、等待时间超时和事件信号中断。
当epoll_wait()返回时，会更新一次时间缓存，然后调用处理函数；事件处理函数是non-block的，本身执行时间极短(毫秒级)，故即便当前时间是缓存的，误差很小可以接受。

如何控制时间更新频率
nginx提供参数timer_resolution，设置缓存时间更新的间隔；
配置该项后，nginx将使用中断机制，而非使用定时器红黑树中的最小时间为epoll_wait的超时时间，即此时定时器将定期被中断。
timer_resolution指令的使用将会设置epoll_wait超时时间为-1，这表示epoll_wait将永远阻塞直至读写事件发生或信号中断。

ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)
  if (ngx_timer_resolution) {
        timer = NGX_TIMER_INFINITE;
        flags = 0;
    } else {
        timer = ngx_event_find_timer();
        flags = NGX_UPDATE_TIME;
    }
1.设置timer_resolution时，flags=0，只有当ngx_event_timer_alarm=1时epoll_wait()返回时才执行ngx_time_update（更新后会把ngx_event_timer_alarm置零）
2.没有设置timer_resolution，flags = NGX_UPDATE_TIME，timer为定时器红黑树中最小定时时间，将作为epoll_wait的超时时间(timeout)

ngx_event_process_init(ngx_cycle_t *cycle)
    if (ngx_timer_resolution && !(ngx_event_flags & NGX_USE_TIMER_EVENT)) {
        ngx_memzero(&sa, sizeof(struct sigaction));
        sa.sa_handler = ngx_timer_signal_handler;
        sigemptyset(&sa.sa_mask);

        if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1) {
            ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, cycle->log, ngx_errno,
                          "sigaction(SIGALRM) failed");
            return NGX_ERROR;
        }

        itv.it_interval.tv_sec = ngx_timer_resolution / 1000;
        itv.it_interval.tv_usec = (ngx_timer_resolution % 1000) * 1000;
        itv.it_value.tv_sec = ngx_timer_resolution / 1000;
        itv.it_value.tv_usec = (ngx_timer_resolution % 1000 ) * 1000;

        if (setitimer(ITIMER_REAL, &itv, NULL) == -1) { 
            ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, cycle->log, ngx_errno,
                          "setitimer() failed");
        }
    }
每隔ngx_timer_resolution时间发出信号SIGALRM，执行ngx_timer_signal_handler，后者仅仅将ngx_event_timer_alarm = 1，用于epoll_wait()返回后的ngx_time_update()调用

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