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Linux下的时钟

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时间的基本概念

秒的定义：

  1. 以铯133的振荡频率来定义秒
  2. 依据地球自转和公转来定义秒

格林威治平时(Greenwich Mean Time, GMT)采用的是第二种定义，是符合人类习惯的。
由于地球每天的自转是不规则的，而且正在缓慢减速，因此天文观测本身具有缺陷。
它后来被修正为UTC时间。

协调世界时(Coordinated Universal Time, UTC)采用的是第一种定义。
它基于国际原子钟(International Atomic Time, TAI)，并通过不规则地加入闰秒来抵消地球自转变慢的影响。

闰秒(Leap Second)是在协调世界时中增加或减少一秒，使它与符合人类习惯的时间贴近所做的调整。
TAI时钟与UTC时钟在1972年进行了对准（相差10秒），此后变独立运行了。
在大部分时间点，UTC时钟跟随TAI时钟；但也在适当的时间点，UTC时钟会进行闰秒补偿。
自1972年至2019年1月以来一共进行了27次补偿，即UTC时钟与TAI时钟之间的偏移为37秒。

时间具有绝对和享对的概念。
对一个系统而言，需要定义一个epoch，所有的时间表示是基于这个基准点的。
UNIX time(also POSIX time, UNIX Epoch time)是从UTC 1970年1月1日0时0分0秒起至现在的秒数。
一个符合POSIX标准的系统必须提供系统时钟，以不小于秒的精度来记录到epoch的时间值。

Linux下的时钟

基础

  • 时间的度量

Linux采用基于原子钟的方式定义秒，也就是UTC所定义的时间。

  • Epoch

在定义时间轴原点方面，Linux kernel的参考点(linux epoch)采用的同UNIX time一样。
此外，对于系统的启动时间也有一个epoch。

  • 时间调整

UTC时间基于原子钟，普通的PC基于系统的本地振荡器来计时，虽然精度不理想，但可以通过NTP协议与外部的时间服务器进行同步来调整时间。
NTP协议使用的基准点是UTC 1900年1月1日0点0分0秒。

时间同步的调整方式有两种：
一是直接设定当前的时间值，这种会导致时间轴上的时间会向前或向后的跳跃，无法保证时间的连续性和单调性；
另一种是对本地振荡器的输出进行矫正，对时间轴缓慢地调整，从而保证了时间的连续性和单调性。

  • 闰秒

Linux不关心闰秒的问题，它交给那些时间同步服务器处理。

  • 计时范围

有一类特殊的时钟称作秒表，启动后开始计时，中间可以暂停、恢复。
Linux中也有这样的工具，用来计算一个进程/线程的执行时间。
Elapsed real time(also real time, wall-clock time, wall time)代表着一个程序从开始执行到结束执行所占用的时间。

  • 时间精度

最初的Linux只支持10ms级别的时间精度，想要取得us甚至ns级别的精度是不可能的，因此后来发展出了高精度时钟。
虽然高精度时钟出现了，但并没有取代低精度时钟，俩者目前处于共存状态。

Note:
“低精度timer是基于tick的，实际上，高精度timer不是base on tick的，它是基于clock event和clock source的，假设一个晶振是13M，那么每个clock就是1/13个us，通过对clock的计数，当然很容易达到us的精度了。”

Q：什么是timer？
A：timer是Linux内核中的一类定时器，另一种类型是timeout。使用timer类型的定时器往往要求在精确的时钟条件下完成特定的事件，timeout则相反。
Q：什么是tick？
A：系统中有许多日常性的事情需要处理，比如更新系统时间，采用按照固定频率的方式来进行这些操作。一般而言，硬件会有HW timer(hardware timer)可以周期性触发中断，让系统去处理日常任务。日常生活中的tick指的是钟表发出的周期性滴答声音，CPU和OS拓展了这个概念：周期性产生的timer中断事件被称为tick，能够产生tick的设备称为tick device。除了periodic tick之外，还有one-shot tick，它设定后只能产生一次tick event，若需要连续产生tick event则需要每次都进行设定。
Q：什么是clock event与clock source？
A：这里的clock source，应该指的是clock-source device(时钟源设备)，它是可以提供一定精度的计时设备，产生clock event。Clock-event device(时钟事件设备)指的是系统中可以触发one-shot(单次)或周期性中断的设备。Tick device是clock-event device一个wrapper。

  • 休眠/关机状态下的时钟

出于一些需要，比如关机闹铃，可以让系统在休眠/关机状态下时钟仍然可以运作，推动事件的发生。

总结

Linux定义了以下的时钟：

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/*
 * The IDs of the various system clocks (for POSIX.1b interval timers):
 */
#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_REALTIME描述真实世界的时钟。Realtime clock也称为wall time clock。
  • CLOCK_MONOTONIC单调递增，无法设置，但可通过NTP调整，基准点不一定是Linux epoch
  • CLOCK_MONOTONIC_RAW类似CLOCK_MONOTONIC，是一个完全基于本地晶振的时钟
  • CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID与CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID这两个时钟属于CPU-time clock，专门用于计算进程/线程的执行时间
  • 后缀_COARSE表示这是低精度时钟
  • CLOCK_BOOTTIME类似CLOCK_MONOTONIC，不同点在于它包含计算机的睡眠时间
  • 后缀_ALARM表示在休眠状态下该时钟仍然递增
  • 原子钟CLOCK_TAI

根据分类因素，可以将时钟总结如下：

leap second? clock set? clock tuning? original poing resolution active in suspend?
realtime yes yes yes Linux epoch ns no
monotonic yes no yes Linux epoch ns no
monotonic raw yes no no Linux epoch ns no
realtime coarse yes yes yes Linux epoch tick no
monotonic coarse yes no yes Linux epoch tick no
boot time yes no yes machine start ns no
realtime alarm yes yes yes Linux epoch ns yes
boottime alarm yes no yes machine start ns yes
tai no no no Linux epoch ns no

misc

在timeline上以Linux epoch为参考点，方便了计算机却不方便人类。
人类更习惯broken-down time，也就是年月日时分秒的表示形式。
相关的数据结构是struct tm。

传统的unix使用基于秒的时间定义，相关的数据结构是time_t，它是POSIX标准定义的一个以秒计的时间值。
微妙精度表示的时间，相关的数据结构是struct timeval。
而纳秒，数据结构是struct timespec。

$ man 7 time文档也蛮不错的。

用户空间接口函数

从应用程序的角度看，Linux kernel/glibc提供的与时间有关的服务分三种：

  1. 与系统时间相关的服务
  2. 与进程睡眠相关的服务
  3. 与timer相关的服务

Note:
在一系列用户空间接口函数中，POSIX定义了一套，相关的内核源码在kernel/time/posix-timers.c中。
他们的用户空间接口前缀为clock_或timer_。
POSIX lock具备实现多种时钟的能力。从clock的生命周期看，可以分为静态和动态的POSIX lock。
静态一直存在于内核中，比如realtime clock；动态有创建和销毁的概念，某些硬件在提供计实能力的情况下支持热插拔，这种设备可以实现成一个POSIX clock。

与系统时间相关的服务

  1. 秒级别的时间函数time() / stime()
  2. 微秒级别的时间函数gettimeofday() / settimeofday()
  3. 纳秒级别的时间函数clock_gettime() / clock_settime() / clock_getres
  4. 渐进式的时间调整函数adjtime() / adjtimex() / clock_adjtime()

秒级、微妙级的时间函数都与timekeeper模块有关，获取、设置是与其相关的操作。

纳秒级别的时间函数是POSIX定义的那套，调用了clock source模块的read函数来获取更高的精确度。
参数clk_id代表的是时钟的种类。

与暴力设定系统时间的set系列函数不同，linux提供渐进式的时间调整函数。
adjtimex()是根据RFC 5905实现的时间调整函数，比adjtime()强大，调整的是timekeeper。
clock_adjtime()是支持时钟源调整的函数。

Note:
timekeeper是一个提供时间服务的基础模块，相关代码在kernel/time/timekeeping.c中。
Linux kernel提供各类timeline(realtime clock, monotonic clock等)，timekeeper负责跟踪、维护各类timeline，并向其他模块（timer相关模块、用户空间的时间服务等）提供服务。
timekeeper模块维护timeline的基础是基于clock source模块和tick模块。通过tick模块的tick事件，可以周期性地更新timeline；通过clock source模块，可以获取tick之间更精准的事件信息。

与进程睡眠相关的服务

  1. 秒级别的睡眠函数sleep()
  2. 微妙级别的睡眠函数usleep()
  3. 纳秒级别的睡眠函数nanosleep()
  4. 参数更多的纳秒级别睡眠函数clock_nanosleep()

与timer相关的服务

  1. alarm()函数
  2. Interval timer函数getitimer() / setitimer()
  3. POSIX定义的更高级的timer函数
    • timer创建与删除函数timer_create() / timer_delete()
    • timer管理函数timer_settime() / timer_gettime() / timer_getoverrun()
  4. 使用文件描述符通知的timer函数timerfd_create() / timerfd_settime() / timerfd_gettime()

References