Linux 時鍾與計時器

對 Linux 系統來說，時鍾和計時器是兩個十分重要的概念。時鍾反應的是絕對時間，也可認為是實時時間。計時器反應的則是相對時間，即相對於系統啟動后的計時。操作系統內核需要管理運行時間（uptime）和牆上時間（wall time），而內核中大量事務需要由時間驅動。

系統時鍾

系統內核需要借助硬件設施來管理時間，實時時鍾（RTC）是用來持久存放系統時間的設備，它由主機電池供電，因此即使關閉系統，實時時鍾仍然在持續工作。

當系統啟動時，系統內核從實時時鍾（RTC）讀取實時時間，並將該時間轉換為自 1970 年 1 月 1 日零時零分零秒以來所經歷的秒數（即 Linux 時間秒），並將該秒數保存在系統變量 xtime 中。可以說實時時鍾的主要作用就是初始化 xtime 變量。

系統計時器

系統計時器驅動着周期性發生的事件，在 X86 架構的系統中，系統計時器通常是一種可編程硬件芯片。系統計時器的頻率稱之為節拍率（tick rate），在內核中使用 HZ 變量來表示節拍率。

對 X86 架構系統而言，內核版本 2.4 之前，系統計時器的節拍率為 100。自內核版本 2.6 開始，系統計時器節拍率設置為 1000。節拍率 HZ = 1000 的含義是系統計時器每秒鍾可產生 1000 次中斷請求，每一個計時中斷周期稱之為一個節拍（tick），也就是說每個節拍時長為 1 秒 / 1000次 = 0.001 秒 = 1 毫秒。節拍的時長決定着系統時間控制的精度，當節拍率從 100 提升到 1000 時，也就意味着系統計時器的精度從 10 毫秒提升到了 1 毫秒，這大大提高了系統對時間驅動事件調度的精度。而過於頻繁的時鍾中斷會不可避免地增加系統計時開銷。

系統計時器及其計時中斷處理程序是 Linux 內核管理機制的中樞，計時中斷處理程序會定期地處理以下事務（包含而不限於）：

1. 更新系統運行時間（uptime）
2. 更新牆上時間（wall time）
3. 在對稱多處理器系統（SMP）上，均衡調度各處理器上的運行隊列
4. 檢查當前進程時間片（time slice）是否耗盡，如果耗盡，則重新調度
5. 運行超時的動態定時器
6. 更新資源耗盡和處理器時間的計算

節拍、節拍率、節拍數

運行時的 Linux 內核會周期性地發出計時中斷請求（IRQ），每秒鍾發出的計時中斷請求數稱之為節拍率，每次計時中斷周期稱之為節拍，實際計時中斷次數稱之為節拍數。

Linux 內核的節拍率在編譯時通過變量 HZ 來指定，一般設置為 100 或 1000，表示每秒中斷 100 次或 1000 次。如果節拍率設置為 1000，那么一個節拍周期則為 1 秒 / 1000 次 = 1 毫秒。Linux 系統使用變量 jiffies 來記錄系統開機以來經歷的節拍數，即從系統啟動開始，每發生一次計時中斷，jiffies 則加 1。通過計算 jiffies 所表示的節拍數，便可得到系統的運行時間。

節拍數轉換為時間

時間（秒） = 節拍數 × 節拍時長 = 節拍數 / 節拍率

時間轉換為節拍數

節拍數 = 時間（秒） / 節拍時長 = 時間（秒） × 節拍率

因此若已知系統內核 HZ = 1000，jiffies = 1000 時，便可以快速算出系統的運行時間為 jiffies / HZ = 1000 / 1000 = 1 秒。

術語

名詞	釋義	備注
Real Time Clock (RTC)	實時時鍾
Wall Time	牆上時鍾	即當前實時時間
Uptime	運行時間
Time Slice	時間片
Timer	計時器
Timer Interrupt Request (IRQ)	計時中斷請求
HZ	每秒計時中斷請求次數，也可稱為節拍率（tick rate）	HZ 值一般為 100, 250, 300 或 1000。最常見的為 1000 和 100。
Tick	節拍	Tick 與 HZ 互為倒數，表示單次計時中斷的時長。
Jiffies	節拍數	表示系統開機以來的節拍數，即經歷的 Tick 數量。
Second (s)	秒
Millisecond (ms)	毫秒	1s = 1000ms
Microsecond (us)	微秒	1ms = 1000us
Nanosecond (ns)	納秒	1us = 1000ns
Picosecond (ps)	皮秒	1ns = 1000ps

Ref.:

Linux 內核中的 jiffies 及其作用介紹及 jiffies 等相關函數詳解
Linux Kernel - Jiffies
Kernel Timer Systems