OpenVINOTM,给你看得见的未来!>>
电子产品世界 » 论坛首页 » 嵌入式开发 » STM32 » 浅谈Linux内核中的形形色色的“钟表”

共6条 1/1 1 跳转至

浅谈Linux内核中的形形色色的“钟表”

助工
2020-10-15 22:59:51    评分

一、前言

时钟或者钟表(clock)是一种计时工具,每个人都至少有一块,可能在你的手机里,也可能佩戴在你的手腕上。如果Linux也是一个普通人的话,那么她的手腕上应该有十几块手表,包括:CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID、CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID、CLOCK_MONOTONIC_RAW、CLOCK_REALTIME_COARSE、CLOCK_MONOTONIC_COARSE、CLOCK_BOOTTIME、CLOCK_REALTIME_ALARM、CLOCK_BOOTTIME_ALARM、CLOCK_TAI。本文主要就是介绍Linux内核中的形形色色的“钟表”。

二、理解Linux中各种clock分类的基础

既然本文讲Linux中的计时工具,那么我们首先面对的就是“什么是时间?”,这个问题实在是太难回答了,因此我们这里就不正面回答了,我们只是从几个侧面来窥探时间的特性,而时间的本质就留给物理学家和哲学家思考吧。

1、如何度量时间

时间往往是和变化相关,因此人们往往喜欢使用有固定周期变化规律的运动行为来定义时间,于是人们把地球围自转一周的时间分成24份,每一份定义为一个小时,而一个小时被平均分成3600份,每一份就是1秒。然而,地球的运动周期不是那么稳定,怎么办?多测量几个,平均一下嘛。

虽然通过天体的运动定义了秒这样的基本的时间度量单位,但是,要想精确的表示时间,我们依赖一种有稳定的周期变化的现象。上一节我们说过了:地球围绕太阳运转不是一个稳定的周期现象,因此每次观察到的周期不是固定的(当然都大约是24小时的样子),用它来定义秒多少显得不是那么精准。科学家们发现铯133原子在能量跃迁时候辐射的电磁波的振荡频率非常的稳定(不要问我这是什么原理,我也不知道),因此被用来定义时间的基本单位:秒(或者称之为原子秒)。

2、Epoch

定义了时间单位,等于时间轴上有了刻度,虽然这条代表时间的直线我们不知道从何开始,最终去向何方,我们终归是可以把一个时间点映射到这条直线上了。甚至如果定义了原点,那么我们可以用一个数字(到原点的距离)来表示时间。

如果说定义时间的度量单位是技术活,那么定义时间轴的原点则完全是一个习惯问题。拿出你的手表,上面可以读出2017年5月10,23时17分28秒07毫秒……作为一个地球人,你选择了耶稣诞辰日做原点,讲真,这弱爆了。作为linuxer,你应该拥有这样的一块手表,从这个手表上只能看到一个从当前时间点到linux epoch的秒数和毫秒数。Linux epoch定义为1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC),后面的这个UTC非常非常重要,我们后面会描述。

除了wall time,linux系统中也需要了解系统自启动以来过去了多少的时间,这时候,我们可以把钟表的epoch调整成系统的启动时间点,这时候获取系统启动时间就很容易了,直接看这块钟表的读数即可。

3、时间调整

记得小的时候,每隔一段时间,老爸的手表总会慢上一分钟左右的时间,也是他总是在7点钟,新闻联播之前等待那校时的最后一响。一听到“刚才最后一响是北京时间7点整”中那最后“滴”的一声,老爸也把自己的手表调整成为7点整。对于linux系统,这个操作类似clock_set接口函数。

类似老爸机械表的时间调整,linux的时间也需要调整,机械表的发条和齿轮结构没有那么精准,计算机的晶振亦然。前面讲了,UTC的计时是基于原子钟的,但是来到Linux内核这个场景,我们难道要为我们的计算机安装一个原子钟来计时吗?当然可以,如果你足够有钱的话。我们一般人的计算机还是基于系统中的本地振荡器来计时的,虽然精度不理想,但是短时间内你也不会有太多的感觉。当然,人们往往是向往更精确的计时(有些场合也需要),因此就有了时间同步的概念(例如NTP(Network Time Protocol))。

所谓时间同步其实就是用一个精准的时间来调整本地的时间,具体的调整方式有两种,一种就是直接设定当前时间值,另外一种是采用了润物细无声的形式,对本地振荡器的输出进行矫正。第一种方法会导致时间轴上的时间会向前或者向后的跳跃,无法保证时间的连续性和单调性。第二种方法是对时间轴缓慢的调整(而不是直接设定),从而保证了连续性和单调性。

4、闰秒(leap second)

通过原子秒延展出来的时间轴就是TAI(International Atomic Time)clock。这块“表”不管日出、日落,机械的按照ce原子定义的那个秒在推进时间。冷冰冰的TAI clock虽然精准,但是对人类而言是不友好的,毕竟人还是生活在这颗蓝色星球上。而那些基于地球自转,公转周期的时间(例如GMT)虽然符合人类习惯,但是又不够精确。在这样的背景下,UTC(Coordinated Universal Time)被提出来了,它是TAI clock的基因(使用原子秒),但是又会适当的调整(leap second),满足人类生产和生活的需要。

OK,至此,我们了解了TAI和UTC两块表的情况,这两块表的发条是一样的,按照同样的时间滴答(tick,精准的根据原子频率定义的那个秒)来推动钟表的秒针的转动,唯一不同的是,UTC clock有一个调节器,在适当的时间,可以把秒针向前或者向后调整一秒。

TAI clock和UTC clock在1972年进行了对准(相差10秒),此后就各自独立运行了。在大部分的时间里,UTC clock跟随TAI clock,除了在适当的时间点,realtime clock会进行leap second的补偿。从1972年到2017年,已经有了27次leap second,因此TAI clock的读数已经比realtime clock(UTC时间)快了37秒。换句话说,TAI和UTC两块表其实可以抽象成一个时间轴,只不过它们之间有一个固定的偏移。在1972年,它们之间的offset是10秒,经过多年的运转,到了2017年,offset累计到37秒,让我静静等待下一个leap second到了的时刻吧。

5、计时范围

有一类特殊的clock称作秒表,启动后开始计时,中间可以暂停,可以恢复。我们可以通过这样的秒表来记录一个人睡眠的时间,当进入睡眠状态的时候,按下start按键开始计时,一旦醒来则按下stop,暂停计时。linux中也有这样的计时工具,用来计算一个进程或者线程的执行时间。

6、时间精度

时间是连续的吗?你眼中的世界是连续的吗?看到窗外清风吹拂的树叶的时候,你感觉每一个树叶的形态都被你捕捉到了。然而,未必,你看急速前进的汽车的轮胎的时候,感觉车轮是倒转的。为什么?其实这仅仅是因为我们的眼睛大约是每秒15~20帧的速度在采样这个世界,你看到的世界是离散的。算了,扯远了,我们姑且认为时间的连续的,但是Linux中的时间记录却不是连续的,我们可以用下面的图片表示:

系统在每个tick到来的时候都会更新系统时间(到linux epoch的秒以及纳秒值记录),当然,也有其他场景进行系统时间的更新,这里就不赘述了。因此,对于linux的时间而言,它是一些离散值,是一些时间采样点的值而已。当用户请求时间服务的时候,例如获取当前时间(上图中的红线),那么最近的那个Tick对应的时间采样点值再加上一个当前时间点到上一个tick的delta值就精准的定位了当前时间。不过,有些场合下,时间精度没有那么重要,直接获取上一个tick的时间值也基本是OK的,不需要校准那个delta也能满足需求。而且粗粒度的clock会带来performance的优势。

7、睡觉的时候时间会停止运作吗?

在现实世界提出这个问题会稍显可笑,鲁迅同学有一句名言:时间永是流逝,街市依旧太平。但是对于Linux系统中的clock,这个就有现实的意义了。比如说clock的一个重要的派生功能是创建timer(也就是说timer总是基于一个特定的clock运作)。在一个5秒的timer超期之前,系统先进入了suspend或者关机状态,这时候,5秒时间到达的时候,一般的timer都不会触发,因为底层的clock可能是基于一个free running counter的,在suspend或者关机状态的时候,这个HW counter都不再运作了,你如何期盼它能唤醒系统,来执行timer expired handler?但是用户还是有这方面的实际需求的,最简单的就是关机闹铃。怎么办?这就需要一个特别的clock,能够在suspend或者关机的时候,仍然可以运作,推动timer到期触发。

三、Linux下的各种clock总结

在linux系统中定义了如下的clock id:

#define CLOCK_REALTIME            0 
#define CLOCK_MONOTONIC            1 
#define CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID    2 
#define CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID        3 
#define CLOCK_MONOTONIC_RAW        4 
#define CLOCK_REALTIME_COARSE        5 
#define CLOCK_MONOTONIC_COARSE        6 
#define CLOCK_BOOTTIME            7 
#define CLOCK_REALTIME_ALARM        8 
#define CLOCK_BOOTTIME_ALARM        9 
#define CLOCK_SGI_CYCLE            10    /* Hardware specific */ 
#define CLOCK_TAI            11

CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID和CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID这两个clock是专门用来计算进程或者线程的执行时间的(用于性能剖析),一旦进程(线程)被切换出去,那么该进程(线程)的clock就会停下来。因此,这两种的clock都是per-process或者per-thread的,而其他的clock都是系统级别的。




助工
2020-10-16 18:48:41    评分
2楼

谢谢分享


助工
2020-10-17 21:45:58    评分
3楼

总结的非常不错


助工
2020-10-18 12:45:15    评分
4楼

总结的不错


助工
2020-10-18 22:41:09    评分
5楼

总结的非常不错


专家
2020-10-22 09:22:47    评分
6楼

介绍的挺全的,要是能带上如何使用,我觉得就更好了。


共6条 1/1 1 跳转至

回复

匿名不能发帖!请先 [ 登陆 注册 ]