Linux時鍾精度：毫秒？微妙？納秒？

最近被內核時鍾精度弄的很是郁悶。具體情況如下：

掃盲：1秒=1000毫秒=1000000微妙=1000000000納秒

首先：linux有一個很重要的概念——節拍，它的單位是（次/秒）。2.6內核這個值是1000，系統中用一個HZ的宏表征這個值。同時有全局的jiffies變量，表征從開機以來經過的節拍次數（這里面還有故事，后面說，先記住這個）。當然還有wall_jiffies的牆上jiffies來表示從 07-01-1970 到現在的節拍數。每個節拍里面執行一次時鍾中斷。就是說，它的精度是毫秒。

接着：內核中還有一個變量xtime表征系統的實際時間（牆上時間），定義如下。其中xtime.tv_sec以秒為單位，存放從Unix祖宗定的紀元時間（19700701）到現在的秒數。xtime.tv_nsec以納秒為單位，記錄從上一秒開始經過的納秒數。就是說，它的精度是納秒。

struct timespec xtime;

struct timespec{
    time_t tv_sec;   //秒
    long tv_nsec;    //納秒
};

最后：linux提供一個gettimeofday的系統調用，它會返回一個timeval的結構體，定義如下。解釋同上，tv_sec代表牆上時間的秒，tv_usec表示從上一秒到現在經過的微秒數。就是說，它的精度是微妙。

struct timeval{
    long tv_sec;     //秒
    long tv_usec;    //微妙
};

精彩的來了：
1. 內核中的xtime會在每個時鍾中斷的時候被更新一次，也就是每個節拍更新一次。你妹！！每毫秒更新一次怎么能冒出來納秒的精度？？而且，內核還有可能丟失節拍。怎么能是納秒？？
2. 各種書上說，gettimeofday系統調用是讀取的xtime的值。日，為啥讀出來之后精度丟了？變成微妙了？

尋尋覓覓終於理清了故事：
針對問題1：在linux啟動的時候，一個節拍的時間長度還會以納秒為單位初始化到tick_nsec中，初始化值為999848ns，坑爹啊！不到一毫秒！節拍大約為1000.15Hz。靠！實際的節拍竟然不是准確的1000！所以在每個時鍾中斷通過wall_jiffies去更新xtime的時候得到的就是一個以納秒為最小單位的的值。所以！xtime的粒度應該是不到1毫秒，也就是精度是不到1毫秒。

針對問題2：gettimeday系統調用的讀xtime代碼部分如下：

do{
    unsigned long lost;
    seq = read_seqbegin(&xtime_lock);

    usec = timer->get_offset();    //在計時器中取從上一次時鍾中斷到現在的微秒數
    lost = jiffies - wall_jiffies;
    if(lost)
        usec += lost*(1000000/HZ); //HZ是節拍宏，值1000
    sec = xtime.tv_sec;
    usec += (xtime.tv_nsec/1000);  //由納秒轉為微妙

}while(read_seqretry(&xtime_lock, seq))

while部分使用了seg鎖，只看中間的就好了。加了注釋之后就很清晰了。由於節拍可能會丟失，所以lost是丟失的節拍數（不會很多）。至於計時器就比較麻煩了，timer可能有下面四種情況。

a. 如果cur_timer指向timer_hpet對象，該方法使用HPET定時器——Inter與Microsoft開發的高精度定時器頻率至少10MHz，也就是說此時可提供真正的微妙級精度。
b. 如果cur_timer指向timer_pmtmr對象，該方法使用ACPI PMT計時器（電源管理定時器）平率大約3.58MHz，也就是說也可以提供真正的微妙級精度。
c. 如果cur_timer指向timer_tsc對象，該方法使用時間戳計數器，內置在所有8086處理器，每個CPU時鍾，計數器增加一次，頻率就是CPU頻率，所以timer精度最高。完全可以勝任微妙級的精度。
d. 如果cur_timer指向timer_pit對象，該方法使用PIT計數器，也即是最開始提到的節拍計數，頻率大概是1000Hz，此時顯然不能提供精度達到微妙的時間。所以只有這種情況是假毫秒精度！

綜上：如果使用gettimeofday系統調用，只要不要使用節拍計數器就可以保證達到微妙精度的時間（刨除進程上下文時間誤差）。至於網上說的可以拿到納秒精度的時間，看起來都是錯的。除非通過修改內核，使用時間戳計數器實現。Over！


最后最后說一個事情：jiffies的定義的是4字節，你可能猜想它初始值是0。實際上，事實並非如此！linux中jiffies被初始化為0xfffb6c20,它是一個32位有符號數，正好等於-300 000。因此，計數器會在系統啟動5分鍾內溢出。這是為了使對jiffies溢出處理有缺陷的內核代碼在開發階段被發現，避免此類問題出現在穩定版本中。



參考《深入理解linux內核》




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