linux世界里的時間

　　通常，操作系統(tǒng)可以使用三種方法來表示系統(tǒng)的當(dāng)前時間與日期：

　?、僮詈唵蔚囊环N方法就是直接用一個64位的計數(shù)器來對時鐘滴答進(jìn)行計數(shù)。

　?、诘诙N方法就是用一個32位計數(shù)器來對秒進(jìn)行計數(shù)，同時還用一個32位的輔助計數(shù)器對時鐘滴答計數(shù)，之子累積到一秒為止。因為232超過136年，因此這種方法直至22世紀(jì)都可以讓系統(tǒng)工作得很好。

　?、鄣谌N方法也是按時鐘滴答進(jìn)行計數(shù)，但是是相對于系統(tǒng)啟動以來的滴答次數(shù)，而不是相對于相對于某個確定的外部時刻;當(dāng)讀外部后備時鐘(如RTC)或用戶輸入實際時間時，根據(jù)當(dāng)前的滴答次數(shù)計算系統(tǒng)當(dāng)前時間。

　　UNIX類操作系統(tǒng)通常都采用第三種方法來維護(hù)系統(tǒng)的時間與日期。

　　1 基本概念

　　首先，有必要明確一些Linux內(nèi)核時鐘驅(qū)動中的基本概念。

　　(1)時鐘周期(clock cycle)的頻率：8253/8254 PIT的本質(zhì)就是對由晶體振蕩器產(chǎn)生的時鐘周期進(jìn)行計數(shù)，晶體振蕩器在1秒時間內(nèi)產(chǎn)生的時鐘脈沖個數(shù)就是時鐘周期的頻率。

　　Linux用宏CLOCK_TICK_RATE來表示8254 PIT的輸入時鐘脈沖的頻率(在PC機中這個值通常是1193180HZ)，該宏定義在include/asm-i386/timex.h頭文件中：

　　#define CLOCK_TICK_RATE 1193180 /* Underlying HZ */

　　(2)時鐘滴答(clock tick)：我們知道，當(dāng)PIT通道0的計數(shù)器減到0值時，它就在IRQ0上產(chǎn)生一次時鐘中斷，也即一次時鐘滴答。PIT通道0的計數(shù)器的初始值決定了要過多少時鐘周期才產(chǎn)生一次時鐘中斷，因此也就決定了一次時鐘滴答的時間間隔長度。

　　(3)時鐘滴答的頻率(HZ)：也即1秒時間內(nèi)PIT所產(chǎn)生的時鐘滴答次數(shù)。類似地，這個值也是由PIT通道0的計數(shù)器初值決定的(反過來說， 確定了時鐘滴答的頻率值后也就可以確定8254 PIT通道0的計數(shù)器初值)。Linux內(nèi)核用宏HZ來表示時鐘滴答的頻率，而且在不同的平臺上HZ有不同的定義值。對于ALPHA和IA62平臺HZ的 值是1024，對于SPARC、MIPS、ARM和i386等平臺HZ的值都是100。該宏在i386平臺上的定義如下(include/asm- i386/param.h)：

　　#ifndef HZ

　　#define HZ 100

　　#endif

　　根據(jù)HZ的值，我們也可以知道一次時鐘滴答的具體時間間隔應(yīng)該是(1000ms/HZ)=10ms。

　　(4)時鐘滴答的時間間隔：Linux用全局變量tick來表示時鐘滴答的時間間隔長度，該變量定義在kernel/timer.c文件中，如下：

　　long tick = (1000000 + HZ/2) / HZ; /* timer interrupt period */

　　tick變量的單位是微妙(μs)，由于在不同平臺上宏HZ的值會有所不同，因此方程式tick=1000000÷HZ的結(jié)果可能會是個小數(shù)， 因此將其進(jìn)行四舍五入成一個整數(shù)，所以Linux將tick定義成(1000000+HZ/2)/HZ，其中被除數(shù)表達(dá)式中的HZ/2的作用就是用來將 tick值向上圓整成一個整型數(shù)。

　　另外，Linux還用宏TICK_SIZE來作為tick變量的引用別名(alias)，其定義如下(arch/i386/kernel/time.c)：

　　#define TICK_SIZE tick

　　(5)宏LATCH：Linux用宏LATCH來定義要寫到PIT通道0的計數(shù)器中的值，它表示PIT將沒隔多少個時鐘周期產(chǎn)生一次時鐘中斷。顯然LATCH應(yīng)該由下列公式計算：

　　LATCH=(1秒之內(nèi)的時鐘周期個數(shù))÷(1秒之內(nèi)的時鐘中斷次數(shù))=(CLOCK_TICK_RATE)÷(HZ)

　　類似地，上述公式的結(jié)果可能會是個小數(shù)，應(yīng)該對其進(jìn)行四舍五入。所以，Linux將LATCH定義為(include/linux/timex.h)：

　　/* LATCH is used in the interval timer and ftape setup. */

　　#define LATCH ((CLOCK_TICK_RATE + HZ/2) / HZ) /* For divider */

　　類似地，被除數(shù)表達(dá)式中的HZ/2也是用來將LATCH向上圓整成一個整數(shù)。

　　2 表示系統(tǒng)當(dāng)前時間的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　作為一種UNIX類操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核顯然采用本節(jié)一開始所述的第三種方法來表示系統(tǒng)的當(dāng)前時間。Linux內(nèi)核在表示系統(tǒng)當(dāng)前時間時用到了三個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

　?、偃肿兞縥iffies：這是一個32位的無符號整數(shù)，用來表示自內(nèi)核上一次啟動以來的時鐘滴答次數(shù)。每發(fā)生一次時鐘滴答，內(nèi)核的時鐘中斷處 理函數(shù)timer_interrupt()都要將該全局變量jiffies加1。該變量定義在kernel/timer.c源文件中，如下所示：

　　unsigned long volatile jiffies;

　　C語言限定符volatile表示jiffies是一個易該變的變量，因此編譯器將使對該變量的訪問從不通過CPU內(nèi)部cache來進(jìn)行。

　?、谌肿兞縳time：它是一個timeval結(jié)構(gòu)類型的變量，用來表示當(dāng)前時間距UNIX時間基準(zhǔn)1970-01-01 00：00：00的相對秒數(shù)值。結(jié)構(gòu)timeval是Linux內(nèi)核表示時間的一種格式(Linux內(nèi)核對時間的表示有多種格式，每種格式都有不同的時間 精度)，其時間精度是微秒。該結(jié)構(gòu)是內(nèi)核表示時間時最常用的一種格式，它定義在頭文件include/linux/time.h中，如下所示：

　　struct timeval {

　　time_t tv_sec; /* seconds */

　　suseconds_t tv_usec; /* microseconds */

　　};

　　其中，成員tv_sec表示當(dāng)前時間距UNIX時間基準(zhǔn)的秒數(shù)值，而成員tv_usec則表示一秒之內(nèi)的微秒值，且1000000>tv_usec>=0。

　　Linux內(nèi)核通過timeval結(jié)構(gòu)類型的全局變量xtime來維持當(dāng)前時間，該變量定義在kernel/timer.c文件中，如下所示：

　　/* The current time */

　　volatile struct timeval xtime __attribute__ ((aligned (16)));

　　但是，全局變量xtime所維持的當(dāng)前時間通常是供用戶來檢索和設(shè)置的，而其他內(nèi)核模塊通常很少使用它(其他內(nèi)核模塊用得最多的是 jiffies)，因此對xtime的更新并不是一項緊迫的任務(wù)，所以這一工作通常被延遲到時鐘中斷的底半部分(bottom half)中來進(jìn)行。由于bottom half的執(zhí)行時間帶有不確定性，因此為了記住內(nèi)核上一次更新xtime是什么時候，Linux內(nèi)核定義了一個類似于jiffies的全局變量 wall_jiffies，來保存內(nèi)核上一次更新xtime時的jiffies值。時鐘中斷的底半部分每一次更新xtime的時侯都會將 wall_jiffies更新為當(dāng)時的jiffies值。全局變量wall_jiffies定義在kernel/timer.c文件中：

　　/* jiffies at the most recent update of wall time */

　　unsigned long wall_jiffies;

　?、廴肿兞縮ys_tz：它是一個timezone結(jié)構(gòu)類型的全局變量，表示系統(tǒng)當(dāng)前的時區(qū)信息。結(jié)構(gòu)類型timezone定義在include/linux/time.h頭文件中，如下所示：

　　struct timezone {

　　int tz_minuteswest; /* minutes west of Greenwich */

　　int tz_dsttime; /* type of dst correction */

　　};

　　基于上述結(jié)構(gòu)，Linux在kernel/time.c文件中定義了全局變量sys_tz表示系統(tǒng)當(dāng)前所處的時區(qū)信息，如下所示：

　　struct timezone sys_tz;