前言

在Linux內(nèi)核中，為了兼容原有的代碼，或者符合某種規(guī)范，并且還要滿足當(dāng)前精度日益提高的要求，實(shí)現(xiàn)了多種與時(shí)間相關(guān)但用于不同目的的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

1）jiffies和jiffies_64

內(nèi)核用jiffies_64全局變量記錄系統(tǒng)自啟動(dòng)以來經(jīng)過了多少次Tick。它的聲明如下（代碼位于kernel/time/timer.c中）：

__visible u64 jiffies_64 __cacheline_aligned_in_smp = INITIAL_JIFFIES;

EXPORT_SYMBOL(jiffies_64);

可以看出來jiffies_64被定義成了64位無符號(hào)整數(shù)。但是，由于歷史的原因，內(nèi)核源代碼中還包含了另一個(gè)叫做jiffies的變量。jiffies的引用（代碼位于include/linux/jiffies.h中）申明為：

extern u64 __cacheline_aligned_in_smp jiffies_64;
extern unsigned long volatile __cacheline_aligned_in_smp __jiffy_arch_data jiffies;

因此，jiffies變量是一個(gè)unsigned long類型的全局變量，如果在32位處理器上只有4個(gè)字節(jié)長(zhǎng)（32位）。但是，如果在64位處理器上也有8個(gè)字節(jié)長(zhǎng)（64位），這時(shí)候jiffies和jiffies_64兩個(gè)全局變量是完全等價(jià)的。

但是翻遍所有代碼你也找不到全局變量jiffies的定義，最終在內(nèi)核的鏈接腳本中（對(duì)于Arm64架構(gòu)來說腳本位于arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.S中）找到了下面這行：

jiffies = jiffies_64;

玄機(jī)在這里，原來在鏈接的時(shí)候指定了符號(hào)jiffies和jiffies_64指向同一個(gè)地址。也就是說，在32位機(jī)器上，jiffies和jiffies_64的低4個(gè)字節(jié)是一樣的。

一般情況下，無論在32位或64位機(jī)器上，我們都可以直接訪問jiffies全局變量，但如果要獲得jiffies_64全局變量，則需要調(diào)用get_jiffies_64函數(shù)。對(duì)于64位系統(tǒng)來說，兩者一樣，而且jiffies被申明成了volatile的且是Cache對(duì)齊的，因此只需要直接返回jiffies就好了：

static inline u64 get_jiffies_64(void)
{
 return (u64)jiffies;
}

而對(duì)于32位系統(tǒng)來說，由于其對(duì)64位讀寫不是原子的，所以還需要持有jiffies_lock讀順序鎖：

u64 get_jiffies_64(void)
{
 unsigned int seq;
 u64 ret;

 do {
 seq = read_seqbegin(&jiffies_lock);
 ret = jiffies_64;
 } while (read_seqretry(&jiffies_lock, seq));
 return ret;
}

jiffies基本上是每一次Tick到來都會(huì)加1的，而Tick的周期HZ是由內(nèi)核編譯選項(xiàng)配置的。在32位系統(tǒng)中，我們假設(shè)HZ被設(shè)置成了250，那么每個(gè)Tick的周期就是4毫秒，那么該計(jì)數(shù)器將在不到200天后達(dá)到最大值后溢出。如果HZ被設(shè)置的更高，那這個(gè)溢出時(shí)間會(huì)更短。當(dāng)然，如果在64位系統(tǒng)中，則完全不用考慮這個(gè)問題。因此，在用jiffies進(jìn)行時(shí)間比較的時(shí)候，需要用系統(tǒng)已經(jīng)定義好的幾個(gè)宏：

time_after(a,b)
time_before(a,b)
time_after_eq(a,b)
time_before_eq(a,b)
time_in_range_open(a,b,c)
time_is_before_jiffies(a)
time_is_after_jiffies(a)
time_is_before_eq_jiffies(a)
time_is_after_eq_jiffies(a)

為了保險(xiǎn)起見，內(nèi)核也提供了對(duì)應(yīng)的64位版本。這些宏可以有效的解決回繞問題，不過也不是無限制的。具體是怎么做到的呢？我們挑一個(gè)time_after宏來看看就知道了：

#define time_after(a,b) \
 (typecheck(unsigned long, a) && \
 typecheck(unsigned long, b) && \
 ((long)((b) - (a)) < 0))

先是對(duì)兩個(gè)變量做類型檢查，必須都是unsigned long型的。最重要的是后面，先將兩個(gè)無符號(hào)長(zhǎng)整形相減，然后將他們變成有符號(hào)的長(zhǎng)整型，再判斷其是否為負(fù)數(shù)，也就是32位的最高位是否為1。

為什么這樣可以部分解決所謂回繞的問題呢？我們可以舉個(gè)例子，為了簡(jiǎn)單起見，以8位無符號(hào)整數(shù)為例，其取值范圍是0到255（0xFF）。假設(shè)當(dāng)前時(shí)間是250，那么過5個(gè)Tick之后，就是255了，已經(jīng)到達(dá)了能表達(dá)的最大值。這時(shí)，如果再過一個(gè)Tick，也就是6個(gè)Tick之后，就將會(huì)溢出變成0了。此時(shí)，如果簡(jiǎn)單的通過對(duì)兩個(gè)值的比較來判斷哪個(gè)時(shí)間再后面的話，顯然就要出錯(cuò)了，因?yàn)檫^了6個(gè)Tick之后的時(shí)間是0，反而小于當(dāng)前的時(shí)間，這個(gè)問題就是所謂的回繞。但是，如果我們先將這兩個(gè)數(shù)相減，也就是0-250（0-0xFA）,也會(huì)產(chǎn)生溢出，最終得到的數(shù)剛好是6。但這也是有限制的，兩個(gè)比較的時(shí)間之間的差值不能超過最大表示范圍的一半。假設(shè)現(xiàn)在的時(shí)間還是250，而過了128個(gè)Tick之后，時(shí)間值將變成122，再將兩者相減的話就是122-250（0x86-0xFA），減出來的數(shù)字就是128了，此時(shí)轉(zhuǎn)成有符號(hào)數(shù)就變成負(fù)數(shù)了，結(jié)果就錯(cuò)了。

另外，jiffies是每個(gè)Tick更新一次的，而Tick的周期又是編譯的時(shí)候定義好的，所以可以將jiffies的數(shù)值轉(zhuǎn)換成具體過了多少時(shí)間，反之亦然。因此，內(nèi)核提供了如下轉(zhuǎn)換函數(shù)：

unsigned int jiffies_to_msecs(const unsigned long j);
unsigned int jiffies_to_usecs(const unsigned long j);
unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m);
unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);

2）timespec和timespec64

timespec由秒和納秒組成，其定義如下（代碼位于include/uapi/linux/time.h）：

struct timespec {
 __kernel_time_t tv_sec;
 long tv_nsec;
};

tv_sec：存放自1970年1月1日0時(shí)（UTC時(shí)間）以來經(jīng)過的秒數(shù)。__kernel_time_t最終定義成了long型，也就是在32位系統(tǒng)上是32位長(zhǎng)，而在64位系統(tǒng)上是64位長(zhǎng)。

tv_nsec：存放自上一秒開始經(jīng)過的納秒（ns）數(shù)。

timespec還有一個(gè)64位的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，其定義如下（代碼位于include/linux/time64.h）：

typedef __s64 time64_t;

......

struct timespec64 {
 time64_t tv_sec;
 long tv_nsec;
};

這個(gè)結(jié)構(gòu)體中的變量定義和timespec一樣，只不過tv_sec的類型一定是64位無符號(hào)數(shù)。所以，也就是說在64位系統(tǒng)上，timespec和timespec64結(jié)構(gòu)體是一模一樣的。

3）ktime_t

在Linux的時(shí)間子系統(tǒng)內(nèi)，一般使用ktime_t來表示時(shí)間，其定義如下（代碼位于include/linux/ktime.h）：

typedef s64 ktime_t;

就是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的64位帶符號(hào)整數(shù)，表示的時(shí)間單位是納秒。

4）timeval

gettimeofday和settimeofday函數(shù)使用timeval作為時(shí)間單位：

struct timeval {
 __kernel_time_t tv_sec;
 __kernel_suseconds_t tv_usec;
};

tv_sec：存放自1970年1月1日0時(shí)（UTC時(shí)間）以來經(jīng)過的秒數(shù)。__kernel_time_t最終定義成了long型，也就是在32位系統(tǒng)上是32位長(zhǎng)，而在64位系統(tǒng)上是64位長(zhǎng)。

tv_usec：__kernel_suseconds_t實(shí)際最終也被定義成了long型，存放自上一秒開始經(jīng)過的微秒（us）數(shù)。

所以，這個(gè)結(jié)構(gòu)體其實(shí)和timespec結(jié)構(gòu)體大同小異，tv_sec存的值是一樣的，而只需要將timespec中的tv_nsec除以1000就是timeval中的tv_usec。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于Linux時(shí)間子系統(tǒng)之時(shí)間的表示的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Linux時(shí)間的表示內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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