Linux内核——定时器和时间管理

定时器和时间管理

系统定时器是一种可编程硬件芯片，它能以固定频率产生中断。该中断就是所谓的定时器中断，它所对应的中断处理程序负责更新系统时间，还负责执行需要周期性运行的任务。系统定时器和时钟中断处理程序是Linux系统内核管理机制中的中枢。

另外一个关注的焦点是动态定时器——一种用来推迟执行程序的工具。比如说，如果软驱马达在一定时间内都未活动，那么软盘驱动程序会使用动态定时器关闭软驱马达。内核可以动态创建或销毁动态定时器。

内核中的时间观念

内核在硬件的帮助下计算和管理时间。硬件为内核提供一个系统定时器用以计算流逝的时间。系统定时器以某种频率自行触发，产生时钟中断，进入内核时钟中断处理程序中进行处理。该频率可以通过编程预定，称为节拍率（tick rate）。连续两次时钟中断的间隔时间称为节拍（tick），它等于节拍率分之一秒。

墙上时间和系统运行时间根据时钟间隔来计算。

节拍率HZ

节拍率(HZ)是时钟中断的频率，表示的一秒内时钟中断的次数。比如 HZ=100 表示一秒内触发100次时钟中断程序。

提高节拍率中断产生更加频繁带来的好处：

提高时间驱动事件的解析度；

提高时间驱动事件的准确度；

内核定时器以更高的频度和准确度；

依赖顶上执行的系统调用poll()和select()能更高的精度运行；

系统时间测量更精细；

提高进程抢占的准确度；

提高节拍率带来的副作用：

中断频率增高系统负担增加；

中断处理程序占用处理器时间增多；

频繁打断处理器高速缓存；

jiffies

jiffies：全局变量，用来记录自系统启动以来产生的节拍总数。启动时内核将该变量初始化为0；此后每次时钟中断处理程序增加该变量的值。每一秒钟中断次数HZ，jiffies一秒内增加HZ。系统运行时间 = jiffie/HZ.

jiffies用途：计算流逝时间和时间管理。

jiffies 变量总是无符号长整数（unsignedlong），因此，在32位体系结构上是32位，在64位体系结构是64位，当 jiffies 的值超过它的最大存放范围后就会发生溢出，它的值会回绕到0。内核提供了四个宏来帮助比较节拍计数，它们能正确地处理节拍计数回绕情况。

Linux内存管理之高端内存 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-06/85693.htm

Linux内存管理之分段机制 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-11/74480.htm

Linux内存管理伙伴算法 http://www.linuxidc.com/Linux/2012-09/70711.htm

硬时钟和定时器

实时时钟（RTC）：用来持久存放系统时间的设备，即便系统关闭后，靠主板上的微型电池提供电力保持系统的计时。系统启动内核通过读取RTC来初始化墙上时间，改时间存放在xtime变量中。

系统定时器：内核定时机制，注册中断处理程序，周期性触发中断，响应中断处理程序。

时钟中断处理程序

时钟中断处理程序可以划分为两个部分：体系结构相关部分和体系结构无关部分。与体系结构相关的例程作为系统定时器的中断处理程序而注册到内核中，以便在产生时钟中断时，它能够相应地运行。虽然处理程序的具体工作依赖于特定的体系结构，但是绝大多数处理程序最低限度都要执行如下工作：

1）获得 xtime_lock锁，以便对访问 jiffies_64和墙上时间 xtime进行保护。

2）需要时应答或重新设置系统时钟。

3）周期性地使用墙上时间更新实时时钟。

4）调用体系结构无关的时钟例程：do_timer()。

中断服务程序主要通过调用与体系结构无关的例程 do_timer执行下面的工作：

1）给 jiffies_64变量增加 1 （这个操作即使是在 32 位体系结构上也是安全的，因为前面已经获得了 xtime_lock锁）。

2）更新资源消耗的统计值，比如当前进程所消耗的系统时间和用户时间。

3）执行已经到期的动态定时器。

4）执行 scheduler_tick函数。

5）更新墙上时间，该时间存放在 xtime变量中。

6）计算平均负载值。

实际时间

实际时间就是现实中钟表上显示的时间，其实内核中并不常用这个时间，主要是用户空间的程序有时需要获取当前时间，所以内核中也管理着这个时间。实际时间的获取是在开机后，内核初始化时从RTC读取的。内核读取这个时间后就将其放入内核中的 xtime 变量中，并且在系统的运行中不断更新这个值。