淺談Linux內(nèi)核中的形形色色的“鐘表”

一、前言

時鐘或者鐘表（clock）是一種計時工具，每個人都至少有一塊，可能在你的手機(jī)里，也可能佩戴在你的手腕上。如果Linux也是一個普通人的話，那么她的手腕上應(yīng)該有十幾塊手表，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。本文主要就是介紹Linux內(nèi)核中的形形色色的“鐘表”。

二、理解Linux中各種clock分類的基礎(chǔ)

既然本文講Linux中的計時工具，那么我們首先面對的就是“什么是時間？”，這個問題實在是太難回答了，因此我們這里就不正面回答了，我們只是從幾個側(cè)面來窺探時間的特性，而時間的本質(zhì)就留給物理學(xué)家和哲學(xué)家思考吧。

1、如何度量時間

時間往往是和變化相關(guān)，因此人們往往喜歡使用有固定周期變化規(guī)律的運(yùn)動行為來定義時間，于是人們把地球圍自轉(zhuǎn)一周的時間分成24份，每一份定義為一個小時，而一個小時被平均分成3600份，每一份就是1秒。然而，地球的運(yùn)動周期不是那么穩(wěn)定，怎么辦？多測量幾個，平均一下嘛。

雖然通過天體的運(yùn)動定義了秒這樣的基本的時間度量單位，但是，要想精確的表示時間，我們依賴一種有穩(wěn)定的周期變化的現(xiàn)象。上一節(jié)我們說過了：地球圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)不是一個穩(wěn)定的周期現(xiàn)象，因此每次觀察到的周期不是固定的（當(dāng)然都大約是24小時的樣子），用它來定義秒多少顯得不是那么精準(zhǔn)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)銫133原子在能量躍遷時候輻射的電磁波的振蕩頻率非常的穩(wěn)定（不要問我這是什么原理，我也不知道），因此被用來定義時間的基本單位：秒（或者稱之為原子秒）。

2、Epoch

定義了時間單位，等于時間軸上有了刻度，雖然這條代表時間的直線我們不知道從何開始，最終去向何方，我們終歸是可以把一個時間點(diǎn)映射到這條直線上了。甚至如果定義了原點(diǎn)，那么我們可以用一個數(shù)字（到原點(diǎn)的距離）來表示時間。

如果說定義時間的度量單位是技術(shù)活，那么定義時間軸的原點(diǎn)則完全是一個習(xí)慣問題。拿出你的手表，上面可以讀出2017年5月10，23時17分28秒07毫秒……作為一個地球人，你選擇了耶穌誕辰日做原點(diǎn)，講真，這弱爆了。作為linuxer，你應(yīng)該擁有這樣的一塊手表，從這個手表上只能看到一個從當(dāng)前時間點(diǎn)到linux epoch的秒數(shù)和毫秒數(shù)。Linux epoch定義為1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC)，后面的這個UTC非常非常重要，我們后面會描述。

除了wall time，linux系統(tǒng)中也需要了解系統(tǒng)自啟動以來過去了多少的時間，這時候，我們可以把鐘表的epoch調(diào)整成系統(tǒng)的啟動時間點(diǎn)，這時候獲取系統(tǒng)啟動時間就很容易了，直接看這塊鐘表的讀數(shù)即可。

3、時間調(diào)整

記得小的時候，每隔一段時間，老爸的手表總會慢上一分鐘左右的時間，也是他總是在7點(diǎn)鐘，新聞聯(lián)播之前等待那校時的最后一響。一聽到“剛才最后一響是北京時間7點(diǎn)整”中那最后“滴”的一聲，老爸也把自己的手表調(diào)整成為7點(diǎn)整。對于linux系統(tǒng)，這個操作類似clock_set接口函數(shù)。

類似老爸機(jī)械表的時間調(diào)整，linux的時間也需要調(diào)整，機(jī)械表的發(fā)條和齒輪結(jié)構(gòu)沒有那么精準(zhǔn)，計算機(jī)的晶振亦然。前面講了，UTC的計時是基于原子鐘的，但是來到Linux內(nèi)核這個場景，我們難道要為我們的計算機(jī)安裝一個原子鐘來計時嗎？當(dāng)然可以，如果你足夠有錢的話。我們一般人的計算機(jī)還是基于系統(tǒng)中的本地振蕩器來計時的，雖然精度不理想，但是短時間內(nèi)你也不會有太多的感覺。當(dāng)然，人們往往是向往更精確的計時（有些場合也需要），因此就有了時間同步的概念（例如NTP（Network Time Protocol））。

所謂時間同步其實就是用一個精準(zhǔn)的時間來調(diào)整本地的時間，具體的調(diào)整方式有兩種，一種就是直接設(shè)定當(dāng)前時間值，另外一種是采用了潤物細(xì)無聲的形式，對本地振蕩器的輸出進(jìn)行矯正。第一種方法會導(dǎo)致時間軸上的時間會向前或者向后的跳躍，無法保證時間的連續(xù)性和單調(diào)性。第二種方法是對時間軸緩慢的調(diào)整（而不是直接設(shè)定），從而保證了連續(xù)性和單調(diào)性。

4、閏秒（leap second）

通過原子秒延展出來的時間軸就是TAI（International Atomic Time）clock。這塊“表”不管日出、日落，機(jī)械的按照ce原子定義的那個秒在推進(jìn)時間。冷冰冰的TAI clock雖然精準(zhǔn)，但是對人類而言是不友好的，畢竟人還是生活在這顆藍(lán)色星球上。而那些基于地球自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期的時間（例如GMT）雖然符合人類習(xí)慣，但是又不夠精確。在這樣的背景下，UTC（Coordinated Universal Time）被提出來了，它是TAI clock的基因（使用原子秒），但是又會適當(dāng)?shù)恼{(diào)整（leap second），滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。

OK，至此，我們了解了TAI和UTC兩塊表的情況，這兩塊表的發(fā)條是一樣的，按照同樣的時間滴答（tick，精準(zhǔn)的根據(jù)原子頻率定義的那個秒）來推動鐘表的秒針的轉(zhuǎn)動，唯一不同的是，UTC clock有一個調(diào)節(jié)器，在適當(dāng)?shù)臅r間，可以把秒針向前或者向后調(diào)整一秒。

TAI clock和UTC clock在1972年進(jìn)行了對準(zhǔn)（相差10秒），此后就各自獨(dú)立運(yùn)行了。在大部分的時間里，UTC clock跟隨TAI clock，除了在適當(dāng)?shù)臅r間點(diǎn)，realtime clock會進(jìn)行l(wèi)eap second的補(bǔ)償。從1972年到2017年，已經(jīng)有了27次leap second，因此TAI clock的讀數(shù)已經(jīng)比realtime clock（UTC時間）快了37秒。換句話說，TAI和UTC兩塊表其實可以抽象成一個時間軸，只不過它們之間有一個固定的偏移。在1972年，它們之間的offset是10秒，經(jīng)過多年的運(yùn)轉(zhuǎn)，到了2017年，offset累計到37秒，讓我靜靜等待下一個leap second到了的時刻吧。

5、計時范圍

有一類特殊的clock稱作秒表，啟動后開始計時，中間可以暫停，可以恢復(fù)。我們可以通過這樣的秒表來記錄一個人睡眠的時間，當(dāng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)的時候，按下start按鍵開始計時，一旦醒來則按下stop，暫停計時。linux中也有這樣的計時工具，用來計算一個進(jìn)程或者線程的執(zhí)行時間。

6、時間精度

時間是連續(xù)的嗎？你眼中的世界是連續(xù)的嗎？看到窗外清風(fēng)吹拂的樹葉的時候，你感覺每一個樹葉的形態(tài)都被你捕捉到了。然而，未必，你看急速前進(jìn)的汽車的輪胎的時候，感覺車輪是倒轉(zhuǎn)的。為什么？其實這僅僅是因為我們的眼睛大約是每秒15～20幀的速度在采樣這個世界，你看到的世界是離散的。算了，扯遠(yuǎn)了，我們姑且認(rèn)為時間的連續(xù)的，但是Linux中的時間記錄卻不是連續(xù)的，我們可以用下面的圖片表示：

系統(tǒng)在每個tick到來的時候都會更新系統(tǒng)時間（到linux epoch的秒以及納秒值記錄），當(dāng)然，也有其他場景進(jìn)行系統(tǒng)時間的更新，這里就不贅述了。因此，對于linux的時間而言，它是一些離散值，是一些時間采樣點(diǎn)的值而已。當(dāng)用戶請求時間服務(wù)的時候，例如獲取當(dāng)前時間（上圖中的紅線），那么最近的那個Tick對應(yīng)的時間采樣點(diǎn)值再加上一個當(dāng)前時間點(diǎn)到上一個tick的delta值就精準(zhǔn)的定位了當(dāng)前時間。不過，有些場合下，時間精度沒有那么重要，直接獲取上一個tick的時間值也基本是OK的，不需要校準(zhǔn)那個delta也能滿足需求。而且粗粒度的clock會帶來performance的優(yōu)勢。

7、睡覺的時候時間會停止運(yùn)作嗎？

在現(xiàn)實世界提出這個問題會稍顯可笑，魯迅同學(xué)有一句名言：時間永是流逝，街市依舊太平。但是對于Linux系統(tǒng)中的clock，這個就有現(xiàn)實的意義了。比如說clock的一個重要的派生功能是創(chuàng)建timer（也就是說timer總是基于一個特定的clock運(yùn)作）。在一個5秒的timer超期之前，系統(tǒng)先進(jìn)入了suspend或者關(guān)機(jī)狀態(tài)，這時候，5秒時間到達(dá)的時候，一般的timer都不會觸發(fā)，因為底層的clock可能是基于一個free running counter的，在suspend或者關(guān)機(jī)狀態(tài)的時候，這個HW counter都不再運(yùn)作了，你如何期盼它能喚醒系統(tǒng)，來執(zhí)行timer expired handler？但是用戶還是有這方面的實際需求的，最簡單的就是關(guān)機(jī)鬧鈴。怎么辦？這就需要一個特別的clock，能夠在suspend或者關(guān)機(jī)的時候，仍然可以運(yùn)作，推動timer到期觸發(fā)。

三、Linux下的各種clock總結(jié)

在linux系統(tǒng)中定義了如下的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這兩個clock是專門用來計算進(jìn)程或者線程的執(zhí)行時間的（用于性能剖析），一旦進(jìn)程（線程）被切換出去，那么該進(jìn)程（線程）的clock就會停下來。因此，這兩種的clock都是per-process或者per-thread的，而其他的clock都是系統(tǒng)級別的。

根據(jù)上面一章的各種分類因素，我們可以將其他clock總結(jié)整理如下：