linux的内核时间

jiffies在内核中是一个全局变量，它用来统计系统启动以来系统中产生的总节拍数，这个变量定义在include/Linux/jiffies.h中，定义形式如下。

unsigned long volatile jiffies;

想要理解jiffies的含义，我们需要首先理解时钟  节拍率  节拍的概念。

内核一般通过jiffies值来获取当前时间。尽管该数值表示的是自上次系统启动到当前的时间间隔，但因为驱动程序的生命期只限于系统的运行期 (uptime)，所以也是可行的。驱动程序利用jiffies的当前值来计算不同事件间的时间间隔。

一、时钟

时钟使处理器便知道什么时候能够执行它的下一个功能。在Linux系统中，时钟分为硬件时钟（又叫实时时钟）和软件时钟（又叫系统时钟）。在对内核编程中，我们经常用到的是系统时钟，系统时钟的主要任务有如下三点：

1.保证系统时间的正确性。

2.防止进程超额使用CPU。

3.记录CPU和资源消耗的统计时间。

系统时钟的初始值在系统启动时，通过读取硬件时钟获得，然后由Linux内核来维护。在系统运行中，系统时钟的更新是根据系统启动后的时钟滴答数来更新的。

实时时钟的主要作用是提供计时和产生精确的时钟中断。实时时钟是用来持久存放系统时间的设备，即便系统关闭后，它也可以靠主板上的微型电池提供的电力保持系统的计时。

二、节拍率HZ

Linux核心每隔固定周期会发出timer interrupt (IRQ 0)，HZ是用来定义每一秒有几次timer interrupts。举例来说，HZ为1000，代表每秒有1000次timer interrupts。 HZ可在编译核心时设定，如下所示(以核心版本2.6.20-15为例)：

    节拍率其实就是系统定时器产生中断的频率，所谓频率即指中断每秒钟产生多少次中断，即Hz（赫兹）。不同的体系结构的系统而言，节拍率不一定相同。

节拍率（Hz）的值可以在文件include/asm-x86/param.h中看到，定义如下。

#define  Hz 1000

三、节拍

节拍就是指系统中连续两次时钟中断的间隔时间，该值等于节拍率分之一，即1/Hz。因为系统再启动时已经设置了Hz，所以系统的节拍也可以确定。内核正是利用节拍来计算系统时钟和系统运行时间的。

三、jiffies变量

jiffies用来统计系统启动以来系统中产生的总节拍数（记录着从电脑开机到现在总共的时钟中断次数）。该变量在系统启动时被初始化为0，接下来没进行一次时钟中断，jiffies自动加1。因此，知道了总的节拍数，然后再除以Hz，即可知系统的运行时间（jiffies/Hz）。

对于jiffies+Hz的含义，jiffies表示当前的系统时钟中断数，Hz表示一秒后的时钟中断的增加量，假设time=jiffies+Hz，正如上面所说 ，内核正是利用节拍数来计算系统时钟和系统运行时间的，则通过jiffies+Hz即可间接表示一秒钟。

如果系统中某个程序运行一段时间后，需要比较该运行时间是否超过一秒，即可通过比较time和程序运行后的jiffies值来判断是否超过一秒。当然此时，我们需要考虑jiffies变量的回绕问题，不可直接用if（time > jiffies）来比较，linux系统提供了4个宏定义来解决用户空间利用jiffies变量进行时间比较时可能产生的回绕现象

值得注意的是，Jiffies于系统开机时，并非初始化成零，而是被设为-300*HZ (arch/i386/kernel/time.c)，即代表系统于开机五分钟后，jiffies便会溢位。那溢位怎么办?事实上，Linux核心定义几个macro(timer_after、time_after_eq、time_before与time_before_eq)，即便是溢位，也能借由这几个macro正确地取得jiffies的内容。

硬件给内核提供一个系统定时器用以计算和管理时间，内核通过编程预设系统定时器的频率，即节拍率（tick rate),每一个周期称作一个tick(节拍）。
  

可以利用jiffies设置超时等，譬如：

unsigned long timeout = jiffies + tick_rate * 2; // 2秒钟后超时

   
    if(time_before(jiffies, timeout){
       // 还没有超时

    }
    else{
       // 已经超时

    }

   
内核提供了四个宏来比较节拍计数，这些宏定义在文件<linux/jiffies.h>中：

  time_before(unknown, known)
    time_after(unknown, known)
    time_before_eq(unknown, known)
    time_after_eq(unknown, known)

    比较的时候用这些宏可以避免jiffies由于过大造成的回绕问题。

/*

*

* time_after(a,b) returns true if the time a is after time b.

*

* Do this with "<0" and ">=0" to only test the sign of the result. A

* good compiler would generate better code (and a really good compiler

* wouldn't care). Gcc is currently neither.

*/

#define time_after(a,b) \

(typecheck(unsigned long, a) && \

typecheck(unsigned long, b) && \

((long)(b) - (long)(a) < 0))

#define time_before(a,b) time_after(b,a)

#define time_after_eq(a,b) \

(typecheck(unsigned long, a) && \

typecheck(unsigned long, b) && \

((long)(a) - (long)(b)>= 0))

#define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)

在宏time_after中，首先确保两个输入参数a和b的数据类型为unsigned long，然后才执行实际的比较。

1. unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* timeout in 0.5s */  
2.   
3. /* do some work ... */  
4. do_somework();  
5.   
6. /* then see whether we took too long */  
7. if (time_before(jiffies, timeout)) {  
8. /* we did not time out, call no_timeout_handler() ... */  
9. no_timeout_handler();  
10.   
11. } else {  
12. /* we timed out, call timeout_handler() ... */  
13. timeout_handler();  
14. } 
    

    除了系统定时器外，还有一个与时间有关的时钟：实时时钟（RTC），这是一个硬件时钟，用来持久存放系统时间，系统关闭后靠主板上的微型电池保持计时。系统启动时，内核通过读取RTC来初始化Wall Time,并存放在xtime变量中，这是RTC最主要的作用。

   

要检查系统上HZ的值是什么，就执行命令

cat kernel/.config | grep '^CONFIG_HZ='

Tick是HZ的倒数，意即timer interrupt每发生一次中断的时间。如HZ为250时，tick为4毫秒(millisecond)。

另外，80x86架构定义一个与jiffies相关的变数jiffies_64 ，此变数64位元，要等到此变数溢位可能要好几百万年。因此要等到溢位这刻发生应该很难吧。

 

jiffies转换为秒可采用公式：(jiffies/HZ)计算，

将秒转换为jiffies可采用公式：(seconds*HZ)计算。

当时钟中断发生时，jiffies 值就加1。因此连续累加一年又四个多月后就会溢出(假定HZ=100，1个jiffies等于1/100秒，jiffies可记录的最大秒数为 (2^32 -1)/100=42949672.95秒，约合497天或1.38年)，即当取值到达最大值时继续加1，就变为了0。

内核通过xtime变量保存墙上时间，该变量是timespec类型的，在Linux/time.h中定义如下：

1       struct timespec {

2           __kernel_time_t tv_sec;                

3           long tv_nsec;               

4        };

其中，tv_sec是以秒为单位时间，它保存着从1970年7月1日以来经过的时间，而tv_nsec记录自上一秒开始经过的纳秒数？。