Linux時間子系統之三：時間的維護者：timekeeper

本系列文章的前兩節討論了用於計時的時鐘源：clocksource，以及核心內部時間的一些表示方法，但是對於真實的使用者來說，我們感知的是真實世界的真即時間，也就是所謂的牆上時間，clocksource只能提供一個按給定頻率不停遞增的周期計數，如何把它和真實的牆上時間相關聯？本節的內容正是要討論這一點。

1.  時間的種類

核心管理著多種時間，它們分別是：

• RTC時間
• wall time：牆上時間
• monotonic time
• raw monotonic time
• boot time：總啟動時間

RTC時間  在PC中，RTC時間又叫CMOS時間，它通常由一個專門的計時硬體來實現，軟體可以讀取該硬體來獲得年月日、時分秒等時間資訊，而在嵌入式系統中，有使用專門的RTC晶片，也有直接把RTC整合到Soc晶片中，讀取Soc中的某個寄存器即可擷取目前時間資訊。一般來說，RTC是一種可持續計時的，也就是說，不管系統是否上電，RTC中的時間資訊都不會丟失，計時會一直持續進行，硬體上通常使用一個後備電池對RTC硬體進行單獨的供電。因為RTC硬體的多樣性，開發人員需要為每種RTC時鐘硬體提供相應的驅動程式，核心和使用者空間通過驅動程式訪問RTC硬體來擷取或設定時間資訊。

xtime  xtime和RTC時間一樣，都是人們日常所使用的牆上時間，只是RTC時間的精度通常比較低，大多數情況下只能達到毫秒層級的精度，如果是使用外部的RTC晶片，訪問速度也比較慢，為此，核心維護了另外一個wall time時間：xtime，取決於用於對xtime計時的clocksource，它的精度甚至可以達到納秒層級，因為xtime實際上是一個記憶體中的變數，它的訪問速度非常快，核心大部分時間都是使用xtime來獲得目前時間資訊。xtime記錄的是自1970年1月1日24時到當前時刻所經曆的納秒數。

monotonic time  該時間自系統開機後就一直單調地增加，它不像xtime可以因使用者的調整時間而產生跳變，不過該時間不計算系統休眠的時間，也就是說，系統休眠時，monotoic時間不會遞增。

raw monotonic time  該時間與monotonic時間類似，也是單調遞增的時間，唯一的不同是：raw monotonic time“更純淨”，他不會受到NTP時間調整的影響，它代表著系統獨立時鐘硬體對時間的統計。

boot time  與monotonic時間相同，不過會累加上系統休眠的時間，它代表著系統上電後的總時間。

時間種類	精度（統計單位）	訪問速度	累計休眠時間	受NTP調整的影響
RTC	低	慢	Yes	Yes
xtime	高	快	Yes	Yes
monotonic	高	快	No	Yes
raw monotonic	高	快	No	No
boot time	高	快	Yes	Yes

2.  struct timekeeper

核心用timekeeper結構來組織與時間相關的資料，它的定義如下：

struct timekeeper {struct clocksource *clock;    /* Current clocksource used for timekeeping. */u32mult;    /* NTP adjusted clock multiplier */intshift;/* The shift value of the current clocksource. */cycle_t cycle_interval;/* Number of clock cycles in one NTP interval. */u64xtime_interval;/* Number of clock shifted nano seconds in one NTP interval. */s64xtime_remainder;/* shifted nano seconds left over when rounding cycle_interval */u32raw_interval;/* Raw nano seconds accumulated per NTP interval. */u64xtime_nsec;/* Clock shifted nano seconds remainder not stored in xtime.tv_nsec. *//* Difference between accumulated time and NTP time in ntp * shifted nano seconds. */s64ntp_error;/* Shift conversion between clock shifted nano seconds and * ntp shifted nano seconds. */intntp_error_shift;struct timespec xtime;/* The current time */struct timespec wall_to_monotonic;struct timespec total_sleep_time;/* time spent in suspend */struct timespec raw_time;/* The raw monotonic time for the CLOCK_MONOTONIC_RAW posix clock. */ktime_t offs_real;/* Offset clock monotonic -> clock realtime */ktime_t offs_boot;/* Offset clock monotonic -> clock boottime */seqlock_t lock;/* Seqlock for all timekeeper values */};

其中的xtime欄位就是上面所說的牆上時間，它是一個timespec結構的變數，它記錄了自1970年1月1日以來所經過的時間，因為是timespec結構，所以它的精度可以達到納秒級，當然那要取決於系統的硬體是否支援這一精度。

核心除了用xtime表示牆上的真即時間外，還維護了另外一個時間：monotonic time，可以把它理解為自系統啟動以來所經過的時間，該時間只能單調遞增，可以理解為xtime雖然正常情況下也是遞增的，但是畢竟使用者可以主動向前或向後調整牆上時間，從而修改xtime值。但是monotonic時間不可以往後退，系統啟動後只能不斷遞增。奇怪的是，核心並沒有直接定義一個這樣的變數來記錄monotonic時間，而是定義了一個變數wall_to_monotonic，記錄了牆上時間和monotonic時間之間的位移量，當需要獲得monotonic時間時，把xtime和wall_to_monotonic相加即可，因為預設啟動時monotonic時間為0，所以實際上wall_to_monotonic的值是一個負數，它和xtime同一時間被初始化，請參考timekeeping_init函數。

計算monotonic時間要去除系統休眠期間花費的時間，核心用total_sleep_time記錄休眠的時間，每次休眠醒來後重新累加該時間，並調整wall_to_monotonic的值，使其在系統休眠醒來後，monotonic時間不會發生跳變。因為wall_to_monotonic值被調整。所以如果想擷取boot time，需要加入該變數的值：

void get_monotonic_boottime(struct timespec *ts){        ......do {seq = read_seqbegin(&timekeeper.lock);*ts = timekeeper.xtime;tomono = timekeeper.wall_to_monotonic;sleep = timekeeper.total_sleep_time;nsecs = timekeeping_get_ns();} while (read_seqretry(&timekeeper.lock, seq));set_normalized_timespec(ts, ts->tv_sec + tomono.tv_sec + sleep.tv_sec,ts->tv_nsec + tomono.tv_nsec + sleep.tv_nsec + nsecs);}

raw_time欄位用來表示真正的硬體時間，也就是上面所說的raw monotonic time，它不受時間調整的影響，monotonic時間雖然也不受settimeofday的影響，但會受到ntp調整的影響，但是raw_time不受ntp的影響，他真的就是開完機後就單調地遞增。xtime、monotonic-time和raw_time可以通過使用者空間的clock_gettime函數獲得，對應的ID參數分別是 CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_MONOTONIC_RAW。

clock欄位則指向了目前timekeeper所使用的時鐘源，xtime，monotonic time和raw time都是基於該時鐘源進行計時操作，當有新的精度更高的時鐘源被註冊時，通過timekeeping_notify函數，change_clocksource函數將會被調用，timekeeper.clock欄位將會被更新，指向新的clocksource。

早期的核心版本中，xtime、wall_to_monotonic、raw_time其實是定義為全域靜態變數，到我目前的版本（V3.4.10），這幾個變數被移入到了timekeeper結構中，現在只需維護一個timekeeper全域靜態變數即可：

static struct timekeeper timekeeper;

3.  timekeeper的初始化

timekeeper的初始化由timekeeping_init完成，該函數在start_kernel的初始化序列中被調用，timekeeping_init首先從RTC中擷取目前時間：

void __init timekeeping_init(void){struct clocksource *clock;unsigned long flags;struct timespec now, boot;read_persistent_clock(&now);read_boot_clock(&boot);

然後對鎖和ntp進行必要的初始化：

seqlock_init(&timekeeper.lock);ntp_init();

接著擷取預設的clocksource，如果平台沒有重新實現clocksource_default_clock函數，預設的clocksource就是基於jiffies的clocksource_jiffies，然後通過timekeeper_setup_inernals內建函式把timekeeper和clocksource進行關聯：

write_seqlock_irqsave(&timekeeper.lock, flags);clock = clocksource_default_clock();if (clock->enable)clock->enable(clock);timekeeper_setup_internals(clock);

利用RTC的目前時間，初始化xtime，raw_time，wall_to_monotonic等欄位：

timekeeper.xtime.tv_sec = now.tv_sec;timekeeper.xtime.tv_nsec = now.tv_nsec;timekeeper.raw_time.tv_sec = 0;timekeeper.raw_time.tv_nsec = 0;if (boot.tv_sec == 0 && boot.tv_nsec == 0) {boot.tv_sec = timekeeper.xtime.tv_sec;boot.tv_nsec = timekeeper.xtime.tv_nsec;}set_normalized_timespec(&timekeeper.wall_to_monotonic,-boot.tv_sec, -boot.tv_nsec);

最後，初始化代表即時時間和monotonic時間之間位移量的offs_real欄位，total_sleep_time欄位初始化為0：

update_rt_offset();timekeeper.total_sleep_time.tv_sec = 0;timekeeper.total_sleep_time.tv_nsec = 0;write_sequnlock_irqrestore(&timekeeper.lock, flags);

}

xtime欄位因為是儲存在記憶體中，系統掉電後無法儲存時間資訊，所以每次啟動時都要通過timekeeping_init從RTC中同步正確的時間資訊。其中，read_persistent_clock和read_boot_clock是平台級的函數，分別用於擷取RTC硬體時間和啟動時的時間，不過值得注意到是，到目前為止（My Code樹基於3.4版本），ARM體系中，只有tegra和omap平台實現了read_persistent_clock函數。如果平台沒有實現該函數，核心提供了一個預設的實現：

void __attribute__((weak)) read_persistent_clock(struct timespec *ts){ts->tv_sec = 0;ts->tv_nsec = 0;}

void __attribute__((weak)) read_boot_clock(struct timespec *ts){ts->tv_sec = 0;ts->tv_nsec = 0;}

那麼，其他ARM平台是如何初始化xtime的？答案就是CONFIG_RTC_HCTOSYS這個核心配置項，開啟該配置後，driver/rtc/hctosys.c將會編譯到系統中，由rtc_hctosys函數通過do_settimeofday在系統初始化時完成xtime變數的初始化：

static int __init rtc_hctosys(void) {         ......         err = rtc_read_time(rtc, &tm);         ......        rtc_tm_to_time(&tm, &tv.tv_sec);         do_settimeofday(&tv);         ......         return err; } late_initcall(rtc_hctosys);

4.  時間的更新

xtime一旦初始化完成後，timekeeper就開始獨立於RTC，利用自身關聯的clocksource進行時間的更新操作，根據核心的配置項的不同，更新時間的操作發生的頻度也不盡相同，如果沒有配置NO_HZ選項，通常每個tick的定時中斷周期，do_timer會被調用一次，相反，如果配置了NO_HZ選項，可能會在好幾個tick後，do_timer才會被調用一次，當然傳入的參數是本次更新離上一次更新時相隔了多少個tick周期，系統會保證在clocksource的max_idle_ns時間內調用do_timer，以防止clocksource的溢出：

void do_timer(unsigned long ticks){jiffies_64 += ticks;update_wall_time();calc_global_load(ticks);}

在do_timer中，jiffies_64變數被相應地累加，然後在update_wall_time中完成xtime等時間的更新操作，更新時間的核心操作就是讀取關聯clocksource的計數值，累加到xtime等欄位中，其中還設計ntp時間的調整等代碼，詳細的代碼就不貼了。

5.  擷取時間

timekeeper提供了一系列的介面用於擷取各種時間資訊。

• void getboottime(struct timespec *ts);    擷取系統啟動時刻的即時時間
• void get_monotonic_boottime(struct timespec *ts);     擷取系統啟動以來所經過的時間，包含休眠時間
• ktime_t ktime_get_boottime(void);   擷取系統啟動以來所經過的c時間，包含休眠時間，返回ktime類型
• ktime_t ktime_get(void);    擷取系統啟動以來所經過的c時間，不包含休眠時間，返回ktime類型
• void ktime_get_ts(struct timespec *ts) ;   擷取系統啟動以來所經過的c時間，不包含休眠時間，返回timespec結構
• unsigned long get_seconds(void);    返回xtime中的秒計數值
• struct timespec current_kernel_time(void);    返回核心最後一次更新的xtime時間，不累計最後一次更新至今clocksource的計數值
• void getnstimeofday(struct timespec *ts);    擷取目前時間，返回timespec結構
• void do_gettimeofday(struct timeval *tv);    擷取目前時間，返回timeval結構