Linux時間子系統(tǒng)中時間的維護者：timekeeper

本系列文章的前兩節(jié)討論了用于計時的時鐘源：clocksource，以及內核內部時間的一些表示方法，但是對于真實的用戶來說，我們感知的是真實世界的真實時間，也就是所謂的墻上時間，clocksource只能提供一個按給定頻率不停遞增的周期計數(shù)，如何把它和真實的墻上時間相關聯(lián)？本節(jié)的內容正是要討論這一點。

1. ?時間的種類

內核管理著多種時間，它們分別是：

RTC時間

wall time：墻上時間

monotonic time

raw monotonic time

boot time：總啟動時間

RTC時間? 在PC中，RTC時間又叫CMOS時間，它通常由一個專門的計時硬件來實現(xiàn)，軟件可以讀取該硬件來獲得年月日、時分秒等時間信息，而在嵌入式系統(tǒng)中，有使用專門的RTC芯片，也有直接把RTC集成到Soc芯片中，讀取Soc中的某個寄存器即可獲取當前時間信息。一般來說，RTC是一種可持續(xù)計時的，也就是說，不管系統(tǒng)是否上電，RTC中的時間信息都不會丟失，計時會一直持續(xù)進行，硬件上通常使用一個后備電池對RTC硬件進行單獨的供電。因為RTC硬件的多樣性，開發(fā)者需要為每種RTC時鐘硬件提供相應的驅動程序，內核和用戶空間通過驅動程序訪問RTC硬件來獲取或設置時間信息。

xtime? xtime和RTC時間一樣，都是人們日常所使用的墻上時間，只是RTC時間的精度通常比較低，大多數(shù)情況下只能達到毫秒級別的精度，如果是使用外部的RTC芯片，訪問速度也比較慢，為此，內核維護了另外一個wall time時間：xtime，取決于用于對xtime計時的clocksource，它的精度甚至可以達到納秒級別，因為xtime實際上是一個內存中的變量，它的訪問速度非?？欤瑑群舜蟛糠謺r間都是使用xtime來獲得當前時間信息。xtime記錄的是自1970年1月1日24時到當前時刻所經(jīng)歷的納秒數(shù)。

monotonic time? 該時間自系統(tǒng)開機后就一直單調地增加，它不像xtime可以因用戶的調整時間而產生跳變，不過該時間不計算系統(tǒng)休眠的時間，也就是說，系統(tǒng)休眠時，monotoic時間不會遞增。

raw monotonic time? 該時間與monotonic時間類似，也是單調遞增的時間，唯一的不同是：raw monotonic time“更純凈”，他不會受到NTP時間調整的影響，它代表著系統(tǒng)獨立時鐘硬件對時間的統(tǒng)計。

boot time? 與monotonic時間相同，不過會累加上系統(tǒng)休眠的時間，它代表著系統(tǒng)上電后的總時間。

時間種類精度（統(tǒng)計單位）訪問速度累計休眠時間受NTP調整的影響RTC低慢YesYesxtime高快YesYesmonotonic高快NoYesraw monotonic高快NoNoboot time高快YesYes

2. ?struct timekeeper

內核用timekeeper結構來組織與時間相關的數(shù)據(jù)，它的定義如下：

[cpp]?view plain?copy

struct?timekeeper?{??

struct?clocksource?*clock;????/*?Current?clocksource?used?for?timekeeping.?*/??

u32?mult;????/*?NTP?adjusted?clock?multiplier?*/??

int?shift;??/*?The?shift?value?of?the?current?clocksource.?*/??

cycle_t?cycle_interval;?/*?Number?of?clock?cycles?in?one?NTP?interval.?*/??

u64?xtime_interval;?/*?Number?of?clock?shifted?nano?seconds?in?one?NTP?interval.?*/??

s64?xtime_remainder;????/*?shifted?nano?seconds?left?over?when?rounding?cycle_interval?*/??

u32?raw_interval;???/*?Raw?nano?seconds?accumulated?per?NTP?interval.?*/??

u64?xtime_nsec;?/*?Clock?shifted?nano?seconds?remainder?not?stored?in?xtime.tv_nsec.?*/??

/*?Difference?between?accumulated?time?and?NTP?time?in?ntp?

*?shifted?nano?seconds.?*/??

s64?ntp_error;??

/*?Shift?conversion?between?clock?shifted?nano?seconds?and?

*?ntp?shifted?nano?seconds.?*/??

int?ntp_error_shift;??

struct?timespec?xtime;??/*?The?current?time?*/??

struct?timespec?wall_to_monotonic;??

struct?timespec?total_sleep_time;???/*?time?spent?in?suspend?*/??

struct?timespec?raw_time;???/*?The?raw?monotonic?time?for?the?CLOCK_MONOTONIC_RAW?posix?clock.?*/??

ktime_t?offs_real;??/*?Offset?clock?monotonic?->?clock?realtime?*/??

ktime_t?offs_boot;??/*?Offset?clock?monotonic?->?clock?boottime?*/??

seqlock_t?lock;?/*?Seqlock?for?all?timekeeper?values?*/??

};??

其中的xtime字段就是上面所說的墻上時間，它是一個timespec結構的變量，它記錄了自1970年1月1日以來所經(jīng)過的時間，因為是timespec結構，所以它的精度可以達到納秒級，當然那要取決于系統(tǒng)的硬件是否支持這一精度。

內核除了用xtime表示墻上的真實時間外，還維護了另外一個時間：monotonic time，可以把它理解為自系統(tǒng)啟動以來所經(jīng)過的時間，該時間只能單調遞增，可以理解為xtime雖然正常情況下也是遞增的，但是畢竟用戶可以主動向前或向后調整墻上時間，從而修改xtime值。但是monotonic時間不可以往后退，系統(tǒng)啟動后只能不斷遞增。奇怪的是，內核并沒有直接定義一個這樣的變量來記錄monotonic時間，而是定義了一個變量wall_to_monotonic，記錄了墻上時間和monotonic時間之間的偏移量，當需要獲得monotonic時間時，把xtime和wall_to_monotonic相加即可，因為默認啟動時monotonic時間為0，所以實際上wall_to_monotonic的值是一個負數(shù)，它和xtime同一時間被初始化，請參考timekeeping_init函數(shù)。

計算monotonic時間要去除系統(tǒng)休眠期間花費的時間，內核用total_sleep_time記錄休眠的時間，每次休眠醒來后重新累加該時間，并調整wall_to_monotonic的值，使其在系統(tǒng)休眠醒來后，monotonic時間不會發(fā)生跳變。因為wall_to_monotonic值被調整。所以如果想獲取boot time，需要加入該變量的值：

[cpp]?view plain?copy

void?get_monotonic_boottime(struct?timespec?*ts)??

{??

......??

do?{??

seq?=?read_seqbegin(&timekeeper.lock);??

*ts?=?timekeeper.xtime;??

tomono?=?timekeeper.wall_to_monotonic;??

"color:#ff0000;">sleep?=?timekeeper.total_sleep_time;??

nsecs?=?timekeeping_get_ns();??

}?while?(read_seqretry(&timekeeper.lock,?seq));??

set_normalized_timespec(ts,?ts->tv_sec?+?tomono.tv_sec?+?sleep.tv_sec,??

ts->tv_nsec?+?tomono.tv_nsec?+?sleep.tv_nsec?+?nsecs);??

}??

raw_time字段用來表示真正的硬件時間，也就是上面所說的raw monotonic time，它不受時間調整的影響，monotonic時間雖然也不受settimeofday的影響，但會受到ntp調整的影響，但是raw_time不受ntp的影響，他真的就是開完機后就單調地遞增。xtime、monotonic-time和raw_time可以通過用戶空間的clock_gettime函數(shù)獲得，對應的ID參數(shù)分別是 CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_MONOTONIC_RAW。

clock字段則指向了目前timekeeper所使用的時鐘源，xtime，monotonic time和raw time都是基于該時鐘源進行計時操作，當有新的精度更高的時鐘源被注冊時，通過timekeeping_notify函數(shù)，change_clocksource函數(shù)將會被調用，timekeeper.clock字段將會被更新，指向新的clocksource。

早期的內核版本中，xtime、wall_to_monotonic、raw_time其實是定義為全局靜態(tài)變量，到我目前的版本（V3.4.10），這幾個變量被移入到了timekeeper結構中，現(xiàn)在只需維護一個timekeeper全局靜態(tài)變量即可：

[cpp]?view plain?copy

static?struct?timekeeper?timekeeper;??

3. ?timekeeper的初始化

timekeeper的初始化由timekeeping_init完成，該函數(shù)在start_kernel的初始化序列中被調用，timekeeping_init首先從RTC中獲取當前時間：

[cpp]?view plain?copy

void?__init?timekeeping_init(void)??

{??

struct?clocksource?*clock;??

unsigned?long?flags;??

struct?timespec?now,?boot;??

read_persistent_clock(&now);??

read_boot_clock(&boot);??

然后對鎖和ntp進行必要的初始化：

[cpp]?view plain?copy

seqlock_init(&timekeeper.lock);??

ntp_init();??

接著獲取默認的clocksource，如果平臺沒有重新實現(xiàn)clocksource_default_clock函數(shù)，默認的clocksource就是基于jiffies的clocksource_jiffies，然后通過timekeeper_setup_inernals內部函數(shù)把timekeeper和clocksource進行關聯(lián)：

[cpp]?view plain?copy

write_seqlock_irqsave(&timekeeper.lock,?flags);??

clock?=?clocksource_default_clock();??

if?(clock->enable)??

clock->enable(clock);??

timekeeper_setup_internals(clock);??

利用RTC的當前時間，初始化xtime，raw_time，wall_to_monotonic等字段：

[cpp]?view plain?copy

timekeeper.xtime.tv_sec?=?now.tv_sec;??

timekeeper.xtime.tv_nsec?=?now.tv_nsec;??

timekeeper.raw_time.tv_sec?=?0;??

timekeeper.raw_time.tv_nsec?=?0;??

if?(boot.tv_sec?==?0?&&?boot.tv_nsec?==?0)?{??

boot.tv_sec?=?timekeeper.xtime.tv_sec;??

boot.tv_nsec?=?timekeeper.xtime.tv_nsec;??

}??

set_normalized_timespec(&timekeeper.wall_to_monotonic,??

-boot.tv_sec,?-boot.tv_nsec);??

最后，初始化代表實時時間和monotonic時間之間偏移量的offs_real字段，total_sleep_time字段初始化為0：

[cpp]?view plain?copy

update_rt_offset();??

timekeeper.total_sleep_time.tv_sec?=?0;??

timekeeper.total_sleep_time.tv_nsec?=?0;??

write_sequnlock_irqrestore(&timekeeper.lock,?flags);??

[cpp]?view plain?copy

}??

xtime字段因為是保存在內存中，系統(tǒng)掉電后無法保存時間信息，所以每次啟動時都要通過timekeeping_init從RTC中同步正確的時間信息。其中，read_persistent_clock和read_boot_clock是平臺級的函數(shù)，分別用于獲取RTC硬件時間和啟動時的時間，不過值得注意到是，到目前為止（我的代碼樹基于3.4版本），ARM體系中，只有tegra和omap平臺實現(xiàn)了read_persistent_clock函數(shù)。如果平臺沒有實現(xiàn)該函數(shù)，內核提供了一個默認的實現(xiàn)：

[cpp]?view plain?copy

void?__attribute__((weak))?read_persistent_clock(struct?timespec?*ts)??

{??

ts->tv_sec?=?0;??

ts->tv_nsec?=?0;??

}??

[cpp]?view plain?copy

void?__attribute__((weak))?read_boot_clock(struct?timespec?*ts)??

{??

ts->tv_sec?=?0;??

ts->tv_nsec?=?0;??

}??

那么，其他ARM平臺是如何初始化xtime的？答案就是CONFIG_RTC_HCTOSYS這個內核配置項，打開該配置后，driver/rtc/hctosys.c將會編譯到系統(tǒng)中，由rtc_hctosys函數(shù)通過do_settimeofday在系統(tǒng)初始化時完成xtime變量的初始化：

[cpp]?view plain?copy

static?int?__init?rtc_hctosys(void)???

{???

......???

err?=?rtc_read_time(rtc,?&tm);???

......??

rtc_tm_to_time(&tm,?&tv.tv_sec);???

do_settimeofday(&tv);???

......???

return?err;???

}???

late_initcall(rtc_hctosys);??

4. ?時間的更新

xtime一旦初始化完成后，timekeeper就開始獨立于RTC，利用自身關聯(lián)的clocksource進行時間的更新操作，根據(jù)內核的配置項的不同，更新時間的操作發(fā)生的頻度也不盡相同，如果沒有配置NO_HZ選項，通常每個tick的定時中斷周期，do_timer會被調用一次，相反，如果配置了NO_HZ選項，可能會在好幾個tick后，do_timer才會被調用一次，當然傳入的參數(shù)是本次更新離上一次更新時相隔了多少個tick周期，系統(tǒng)會保證在clocksource的max_idle_ns時間內調用do_timer，以防止clocksource的溢出：
?

[cpp]?view plain?copy

void?do_timer(unsigned?long?ticks)??

{??

jiffies_64?+=?ticks;??

update_wall_time();??

calc_global_load(ticks);??

}??

在do_timer中，jiffies_64變量被相應地累加，然后在update_wall_time中完成xtime等時間的更新操作，更新時間的核心操作就是讀取關聯(lián)clocksource的計數(shù)值，累加到xtime等字段中，其中還設計ntp時間的調整等代碼，詳細的代碼就不貼了。

5. ?獲取時間

timekeeper提供了一系列的接口用于獲取各種時間信息。

void getboottime(struct timespec *ts); ? ?獲取系統(tǒng)啟動時刻的實時時間

void get_monotonic_boottime(struct timespec *ts);??? ?獲取系統(tǒng)啟動以來所經(jīng)過的時間，包含休眠時間

ktime_t ktime_get_boottime(void);? ?獲取系統(tǒng)啟動以來所經(jīng)過的c時間，包含休眠時間，返回ktime類型

ktime_t ktime_get(void); ? ?獲取系統(tǒng)啟動以來所經(jīng)過的c時間，不包含休眠時間，返回ktime類型

void ktime_get_ts(struct timespec *ts) ; ??獲取系統(tǒng)啟動以來所經(jīng)過的c時間，不包含休眠時間，返回timespec結構

unsigned long get_seconds(void); ? ?返回xtime中的秒計數(shù)值

struct timespec current_kernel_time(void); ? ?返回內核最后一次更新的xtime時間，不累計最后一次更新至今clocksource的計數(shù)值

void getnstimeofday(struct timespec *ts); ? ?獲取當前時間，返回timespec結構

void do_gettimeofday(struct timeval *tv); ? ?獲取當前時間，返回timeval結構

?