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2011年(132)

2010年(229)

分类: LINUX

2010-04-27 10:50:58

1. 概述 
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?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 Vxworks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。
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给主人留下些什么吧!~~

lnch0012015-04-08 13:18:57

受用了,多谢!