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Linux内核之时间系统
1、Linux时间系统
Linux系统中有两个时钟源，一个叫做RTC，另一个叫做系统时钟。时钟运作机制如下图：
（1）CMOS时钟
RTC（Real Time Clock,实时时钟）也叫做CMOS时钟，它独立于操作系统，由PC主板上的一块纽扣电池供电，当操作系统关机的时候，用它来记录时间，当系统启动时，内核通过读取RTC来初始化墙上时间，它为计算机提供一个计时标准，是最原始最底层的时钟数据。（后面介绍墙上时间）
（2）系统时钟
系统时钟是由操作系统控制PC主板上的定时/计数芯片来工作的，它依赖CMOS时钟而启动，初始化后由操作系统完全管理，操作系统通过OS时钟提供给应用程序所有和时间有关的服务。系统时钟产生于PC主板上的定时/计数芯片，常见的有8253/8254可编程定时/计数芯片，其工作原理是由晶振、电容等组成的振荡电路，产生脉冲（高低电平），这些脉冲输入到中断控制器上，产生中断信号，触发时钟中断，由时钟中断服务程序维持OS时钟正常工作。
系统时钟记录的时间也就是我们常见的系统时间，它是以“时钟节拍”为单位的，时钟中断的频率（节拍率）决定了一个时钟节拍的长短。节拍率是通过静态预处理定义的，也就是Hz（赫兹），Linux内核版本4.19中是这样定义的：#ifndef __ASM_GENERIC_PARAM_H#define __ASM_GENERIC_PARAM_H#include# undef HZ# define HZ CONFIG_HZ /* Internal kernel timer frequency */# define USER_HZ 100 /* some user interfaces are */# define CLOCKS_PER_SEC (USER_HZ) /* in "ticks" like times() */#endif /* __ASM_GENERIC_PARAM_H */
一个tick代表多长时间，在内核的CONFIG_HZ中定义。比如CONFIG_HZ=200，则一个jiffies对应5ms时间，所以内核基于jiffies的定时器精度也是5ms。（下面介绍jiffies）
（3）节拍数（jiffies）
jiffies是Linux内核中的一个全局变量，用来记录自系统启动以来产生的节拍总数。启动时内核将该变量初始化为0，此后每次时钟中断jiffies的值+1，每一秒钟中断次数HZ，jiffies一秒内增加HZ。
- 将秒转换为jiffies可采用公式：seconds*HZ
- jiffies转换为秒可采用公式：jiffies/HZ
- 系统运行时间（s） = jiffies/HZ
jiffies用途：计算流逝时间和时间管理。
jiffies 变量总是无符号长整数（Unsigned Long）。因此，在32位体系结构上是32位，在64位体系结构是64位，当 jiffies 的值超过它的最大存放范围后就会发生溢出，它的值会回绕到0。内核提供了这样的宏来帮助解决由于jiffies溢出而造成程序逻辑出错的情况：#define time_after(a,b) \ (typecheck(unsigned long, a) && \ typecheck(unsigned long, b) && \ ((long)((b) - (a)) < 0))#define time_before(a,b) time_after(b,a)#define time_after_eq(a,b) \ (typecheck(unsigned long, a) && \ typecheck(unsigned long, b) && \ ((long)((a) - (b)) >= 0))#define time_before_eq(a,b) time_after_eq(b,a)
在宏time_after中，首先确保两个输入参数a和b的数据类型为unsigned long，然后才执行实际的比较。
（4）墙上时间（xtime）
墙上时间就是实际时间，实际时间的获取是在开机后，内核初始化时从RTC读取的。内核读取这个时间后就将其放入内核中的 xtime 变量中，并且在系统的运行中不断更新这个值。内核中并不常用墙上时间，主要是方便用户空间的程序获取当前时间。它的精度可以达到纳秒级别，因为xtime实际上是一个内存中的变量，它的访问速度非常快，内核大部分时间都是使用xtime来获得当前时间信息。Linux中的xtime记录的是自1970年1月1日0时到当前时刻所经历的纳秒数。
2、重要数据结构
Linux内核提供各种time line，real time clock，monotonic clock、monotonic raw clock等，timekeeping模块就是负责跟踪、维护这些timeline的，并且向其他模块（timer相关模块、用户空间的时间服务等）提供服务，而timekeeping模块维护timeline的基础是基于clocksource模块和tick模块。通过tick模块的tick事件，可以周期性的更新time line，通过clocksource模块、可以获取tick之间更精准的时间信息。
Linux内核版本4.19中在linux-4.19\include\linux\timekeeper_internal.h下有这样两个数据结构： （1）struct tk_read_base
读取时间的基本结构tk_read_base，内核版本4.19源码如下：
struct tk_read_base { struct clocksource *clock; u64 mask; u64 cycle_last; u32 mult; u32 shift; u64 xtime_nsec; ktime_t base; u64 base_real;}; 其中：
- clock：timekeeping当前使用的时钟源
这个clock应该是系统中最优的那个，如果有好过当前clocksource注册入系统，那么clocksource模块会通知timekeeping模块来切换clocksource。
- mask：非64位时钟的二进制补码减法的位掩码
- cycle_last：最后一次更新的时钟周期值
- mult ：（经过NTP调整）数学换算的乘数
- shift：数学换算的移位值
- xtime_nsec：用于读出纳秒的偏移量
- base：用于读取ktime_t（纳秒）的基本时间
- base_real：用于读出实际时间的基本纳秒值
- base_real：用于快速NMI安全访问器，以允许读取时钟
此结构在64位上的大小为56字节,连同一个seqcount占用64字节缓存。
这个结构体与timekeeper结构是分开的，因为它也被使用用于快速NMI安全访问器。 base_real用于快速NMI安全访问器以允许从任何上下文读取实际时间。
（2）struct timekeeper
timekeeper结构用于保存计时值，内核版本4.19源码如下：
struct timekeeper { struct tk_read_base tkr_mono; struct tk_read_base tkr_raw; u64 xtime_sec; unsigned long ktime_sec; struct timespec64 wall_to_monotonic; ktime_t offs_real; ktime_t offs_boot; ktime_t offs_tai; s32 tai_offset; unsigned int clock_was_set_seq; u8 cs_was_changed_seq; ktime_t next_leap_ktime; u64 raw_sec; /* The following members are for timekeeping internal use */ u64 cycle_interval; u64 xtime_interval; s64 xtime_remainder; u64 raw_interval; /* The ntp_tick_length() value currently being used. * This cached copy ensures we consistently apply the tick * length for an entire tick, as ntp_tick_length may change * mid-tick, and we don't want to apply that new value to * the tick in progress. */ u64 ntp_tick; /* Difference between accumulated time and NTP time in ntp * shifted nano seconds. */ s64 ntp_error; u32 ntp_error_shift; u32 ntp_err_mult; /* Flag used to avoid updating NTP twice with same second */ u32 skip_second_overflow;#ifdef CONFIG_DEBUG_TIMEKEEPING long last_warning; /* * These simple flag variables are managed * without locks, which is racy, but they are * ok since we don't really care about being * super precise about how many events were * seen, just that a problem was observed. */ int underflow_seen; int overflow_seen;#endif}; 其中：
- tkr_mono：CLOCK_MONOTONIC的读出基本结构
- tkr_raw：CLOCK_MONOTONIC_RAW的读出基本结构
- xtime_sec：当前的CLOCK_REALTIME时间，以秒为单位
Linux中CLOCK_REALTIME time，直接使用秒以及纳秒在当前秒内的偏移来表示。这里xtime_sec用秒这个的刻度单位来度量CLOCK_REALTIME time line上，时间原点到当前点的距离值。当然xtime_sec是一个对current time point的取整值，为了更好的精度，还需要一个纳秒表示的offset，也就是在刚才那个数据结构tk_read_base结构中的xtime_nsec。不过为了内核内部计算精度（内核对时间的计算是基于cycle的），并不是保存了时间的纳秒偏移值，而是保存了一个shift之后的值，因此，用户看来，当前时间点的值应该是距离时间原点xtime_sec + (xtime_nsec << shift)距离的那个时间点值。
- ktime_sec：当前的CLOCK_MONOTONIC时间，以秒为单位
- wall_to_monotonic：从CLOCK_REALTIME到CLOCK_MONOTONIC偏移
CLOCK_MONOTONIC类型的系统时钟。这种系统时钟并没有像墙上时钟一样定义一个相对于linux epoch的值，这个成员定义了monotonic clock到real time clock的偏移，也就是说，这里的wall_to_monotonic和offs_real需要加上real time clock的时间值才能得到monotonic clock的时间值。wall_to_monotonic和offs_real的意思是一样的，不过时间的格式不一样，用在不同的场合，以便获取性能的提升。
- offs_real：偏移时钟单调->时钟实时
- offs_boot：偏移时钟单调->时钟启动时间
- offs_tai：偏移时钟单调->时钟tai
- tai_offset：当前UTC到TAI的偏移量，以秒为单位
CLOCK_TAI类型的系统时钟。TAI（international atomic time）是原子钟，在时间的基本概念文档中，UTC就是base TAI的，也就是说用铯133的振荡频率来定义秒的那个时钟，CLOCK_TAI类型的系统时钟就是完完全全使用铯133的振荡频率来定义秒的那个时钟。
- clock_was_set_seq：时钟被设置事件的序号
- cs_was_changed_seq：时钟源更改事件的序列号
- next_leap_ktime：待处理的leap秒的CLOCK_MONOTONIC时间值
- raw_sec：CLOCK_MONOTONIC_RAW时间以秒为单位
- cycle_interval：一个NTP间隔中的时钟周期数
- xtime_interval：一个NTP中的时钟移位纳秒数间隔
- xtime_remainder：四舍五入时还剩纳秒
- cycle_interval：一个NTP间隔中的时钟周期数
- raw_interval：每个NTP间隔累积的偏移原始毫微秒
- ntp_error：ntp中的累积时间和NTP时间之间的差偏移了纳秒
- ntp_error_shift：时钟移位纳秒和ntp移位纳秒之间的转换
- last_warning：警告速率限制器（DEBUG_TIMEKEEPING）
- underflow_seen：下溢警告标志（DEBUG_TIMEKEEPING）
- overflow_seen：溢出警告标志（DEBUG_TIMEKEEPING）
（3）内核中表示时间的数据结构
在内核版本4.19linux-4.19\include\uapi\linux\time.h中有这样几个表示时间的数据结构，源码如下：
#ifndef _STRUCT_TIMESPEC#define _STRUCT_TIMESPECstruct timespec { __kernel_time_t tv_sec; /* seconds */ long tv_nsec; /* nanoseconds */};#endif 该数据结构来自于POSIX.1b规范，用于在用户态和内核态之间传递时间信息。POSIX还定义了许多API供用户态调用，例如clock_gettime()，clock_settime()等，其中的表示时间的结构都是timespec。
struct timeval { __kernel_time_t tv_sec; /* seconds */ __kernel_suseconds_t tv_usec; /* microseconds */}; 该结构也用于用户态和内核态间的时间信息传递。不同于timespec的是它的两个成员分别是秒和微妙，精度要比timespec差。另外一个区别是相关API也不同，timeval相关的API是gettimeofday()等。
3、Linux常用的关于时间的命令
命令如下，结果如图：
（1）查看时间和日期date
date -s 11/18/2019
将系统时间设定成下午6点16分26秒
date -s 6:16:26
ntpdate -u 0.asia.pool.ntp.org
hwclock -w
（5）查看月历
call
man date来查看。。。 转载地址：http://fvutn.baihongyu.com/