jiffies溢出与时间先后比较

1. 概述 
在内核中，TCP/IP协议栈在很多用到时间比较的地方都使用了jiffies？本文介绍了什么是jiffies，jiffies溢出可能造成的问题，使用time_after等宏来正确地比较时间及其背后的原理。 

2. jiffies简介 

2.1 时钟中断 
在Linux内核中，TCP/IP协议栈在很多用到时间比较的地方都使用了jiffies。 
那 么jiffies是什么呢？我们知道，操作系统应该能够在将来某个时刻准时调度某个任务，所以需要一种能保证任务准时调度运行的机制。希望支持每种操作系 统的微处理器必须包含一个可周期性中断它的可编程间隔定时器。这个周期性中断被称为系统时钟滴答（或system timer)，它象节拍器一样来组织系 统任务，也称为时钟中断。 
时钟中断的发生频率设定为HZ，HZ是一个与体系结构无关的常数，在文件 中定义。至少从2.0版到2.1.43版，Alpha平台上Linux定义HZ的值为1024，而其他平台上定义为100。时钟中断对操作系统是非常重要 的，当时钟中断发生时，将周期性地执行一些功能，例如： 
. 更新系统的uptime 
. 更新time of day 
. 检查当前任务的时间片是否用光，如果是则需要重新调度任务 
. 执行到期的dynamic timer 
. 更新系统资源使用统计和任务所用的时间统计 

2.2 jiffies及其溢出 
全 局变量jiffies取值为自操作系统启动以来的时钟滴答的数目，在头文件中定义，数据类型为 unsigned long volatile (32位无符号长整型)。关于jiffies为什么要采用volatile来限定，可参考《关于 volatile和jiffies.txt》。 
jiffies转换为秒可采用公式：(jiffies/HZ)计算，将秒转换为jiffies可采用公式：(seconds*HZ)计算。 
当 时钟中断发生时，jiffies值就加1。因此连续累加一年又四个多月后就会溢出(假定HZ=100，1个jiffies等于1/100秒， jiffies可记录的最大秒数为(2^32 -1)/100=42949672.95秒，约合497天或1.38年)，即当取值到达最大值时继续加1， 就变为了0。 
在操 作系统中，定义HZ的值为60，因此连续累加两年又三个多月后也将溢出（jiffies可记录的最大秒数为约合2.27年）。如果在Vxworks操作系 统上的应用程序对jiffies的溢出没有加以充分考虑，那么在连续运行两年又三个多月后，这些应用程序还能够稳定运行吗？ 
下面我们来考虑jiffies的溢出，我们将从以下几个方面来阐述： 
. 无符号整型溢出的具体过程 
. jiffies溢出造成程序逻辑出错 
. Linux内核如何来防止jiffies溢出 
. time_after等比较时间先/后的宏背后的原理 
. 代码中使用time_after等比较时间先/后的宏 

3. 无符号整型溢出的具体过程 
我们首先来看看无符号长整型（unsigned long）溢出的具体过程。实际上，无符号整型的溢出过程都很类似。为了更具体地描述无符号长整型溢出的过程，我们以8位无符号整型为例来加以说明。 
8位无符号整型从0开始持续增长，当增长到最大值255时，继续加1将变为0，然后该过程周而复始： 
0, 1, 2, ..., 253, 254, 255, 
0, 1, 2, ..., 253, 254, 255, 
... 

4. jiffies溢出造成程序逻辑出错 
下面，通过一个例子来看jiffies的溢出。 
例4-1：jiffies溢出造成程序逻辑出错 
unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* timeout in 0.5s */ 

/* do some work ... */ 
do_somework(); 

/* then see whether we took too long */ 
if (timeout > jiffies) { 
/* we did not time out, call no_timeout_handler() ... */ 
no_timeout_handler(); 

} else { 
/* we timed out, call timeout_handler() ... */ 
timeout_handler(); 
} 
本例的目的是从当前时间起，如果在0.5秒内执行完do_somework()，则调用no_timeout_handler()。如果在0.5秒后执行完do_somework()，则调用timeout_handler()。 
我 们来看看本例中一种可能的溢出情况，即在设置timeout并执行do_somework()后，jiffies值溢出，取值为0。设在设置 timeout后，timeout的值临近无符号长整型的最大值，即小于2^32-1。设执行do_somework()花费了1秒，那么代码应当调用 timeout_handler()。但是当jiffies值溢出取值为0后，条件timeout > jiffies成立，jiffies值（等 于0）小于timeout（临近但小于2^32-1），尽管从逻辑上讲jiffies值要比timeout大。但最终代码调用的是 no_timeout_handler()，而不是timeout_handler()。 

5. Linux内核如何来防止jiffies溢出 
Linux内核中提供了以下四个宏，可有效地解决由于jiffies溢出而造成程序逻辑出错的情况。下面是从Linux Kernel 2.6.7版本中摘取出来的代码： 
/* 
* These inlines deal with timer wrapping correctly. You are 
* strongly encouraged to use them 
* 1. Because people otherwise forget 
* 2. Because if the timer wrap changes in future you won't have to 
* alter your driver code. 
* 
* time_after(a,b) returns true if the time a is after time b. 
* 
* Do this with "<0" and ">=0" to only test the sign of the result. A 
* good compiler would generate better code (and a really good compiler 
* wouldn't care). Gcc is currently neither. 
*/ 
#define time_after(a,b) \ 
(typecheck(unsigned long, a) && \ 
typecheck(unsigned long, b) && \ 
((long)(b) - (long)(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) - (long)(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。这是以后编码中应当注意的地方。 

6. time_after等比较时间先后的宏背后的原理 
那么，上述time_after等比较时间先/后的宏为什么能够解决jiffies溢出造成的错误情况呢？ 
我们仍然以8位无符号整型(unsigned char)为例来加以说明。仿照上面的time_after宏，我们可以给出简化的8位无符号整型对应的after宏： 
#define uc_after(a, b) ((char)(b) - (char)(a) < 0) 

设a和b的数据类型为unsigned char，b为临近8位无符号整型最大值附近的一个固定值254，下面给出随着a（设其初始值为254）变化而得到的计算值： 
a b (char)(b) - (char)(a) 
254 254 0 
255 - 1 
0 - 2 
1 - 3 
... 
124 -126 
125 -127 
126 -128 
127 127 
128 126 
... 
252 2 
253 1 

从上面的计算可以看出，设定b不变，随着a（设其初始值为254）不断增长1，a的取值变化为： 
254, 255, (一次产生溢出) 
0, 1, ..., 124, 125, 126, 127, 126, ..., 253, 254, 255, (二次产生溢出) 
0, 1, ... 
... 

而(char)(b) - (char)(a)的变化为： 
0, -1, 
-2, -3, ..., -126, -127, -128, 127, 126, ..., 1, 0, -1, 
-2, -3, ... 
... 

从 上面的详细过程可以看出，当a取值为254，255, 接着在（一次产生溢出）之后变为0，然后增长到127之前，uc_after(a,b)的结果都显 示a是在b之后，这也与我们的预期相符。但在a取值为127之后，uc_after(a,b)的结果却显示a是在b之前。 
从上面的运算过程可以得出以下结论： 
使用uc_after(a,b)宏来计算两个8位无符号整型a和b之间的大小（或先/后，before/after），那么a和b的取值应当满足以下限定条件： 
. 两个值之间相差从逻辑值来讲应小于有符号整型的最大值。 
. 对于8位无符号整型，两个值之间相差从逻辑值来讲应小于128。 
从上面可以类推出以下结论： 
对于time_after等比较jiffies先/后的宏，两个值的取值应当满足以下限定条件： 
两个值之间相差从逻辑值来讲应小于有符号整型的最大值。 
对于32位无符号整型，两个值之间相差从逻辑值来讲应小于2147483647。 
对 于HZ=100，那么两个时间值之间相差不应当超过2147483647/100秒 = 0.69年 = 248.5天。对于HZ=60，那么两个时间值 之间相差不应当超过2147483647/60秒 = 1.135年。在实际代码应用中，需要比较先/后的两个时间值之间一般都相差很小，范围大致在1秒 ~1天左右，所以以上time_after等比较时间先/后的宏完全可以放心地用于实际的代码中。 

7. 代码中使用time_after等比较时间先/后的宏 
下面代码是针对例4-1修改后的正确代码： 
例7-1：在例4-1基础上使用time_before宏后的正确代码 
unsigned long timeout = jiffies + HZ/2; /* timeout in 0.5s */ 

/* do some work ... */ 
do_somework(); 

/* then see whether we took too long */ 
if (time_before(jiffies, timeout)) { 
/* we did not time out, call no_timeout_handler() ... */ 
no_timeout_handler(); 

} else { 
/* we timed out, call timeout_handler() ... */ 
timeout_handler(); 
} 

8. 结论 
系统中采用jiffies来计算时间，但由于jiffies溢出可能造成时间比较的错误，因而强烈建议在编码中使用time_after等宏来比较时间先后关系，这些宏可以放心使用。