分类： LINUX
2008-08-14 16:22:17
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
. 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
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。
