Linux时间子系统之二：表示时间的单位和结构

人们习惯用于表示时间的方法是：年、月、日、时、分、秒、毫秒、星期等等，但是在内核中，为了软件逻辑和代码的方便性，它使用了一些不同的时间表示方法，并为这些表示方法定义了相应的变量和数据结构，本节的内容就是阐述这些表示方法的意义和区别。

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1.  jiffies

内核用jiffies变量记录系统启动以来经过的时钟滴答数，它的声明如下：

extern u64 __jiffy_data jiffies_64;
extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

可见，在32位的系统上，jiffies是一个32位的无符号数，系统每过1/HZ秒，jiffies的值就会加1，最终该变量可能会溢出，所以内核同时又定义了一个64位的变量jiffies_64，链接的脚本保证jiffies变量和jiffies_64变量的内存地址是相同的，通常，我们可以直接访问jiffies变量，但是要获得jiffies_64变量，必须通过辅助函数get_jiffies_64来实现。jiffies是内核的低精度定时器的计时单位，所以内核配置的HZ数决定了低精度定时器的精度，如果HZ数被设定为1000，那么，低精度定时器（timer_list）的精度就是1ms=1/1000秒。因为jiffies变量可能存在溢出的问题，所以在用基于jiffies进行比较时，应该使用以下辅助宏来实现：

time_after(a,b)
time_before(a,b)
time_after_eq(a,b)
time_before_eq(a,b)
time_in_range(a,b,c)

同时，内核还提供了一些辅助函数用于jiffies和毫秒以及纳秒之间的转换：

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.  struct timeval

timeval由秒和微秒组成，它的定义如下：

struct timeval {
    __kernel_time_t     tv_sec;     /* seconds */
    __kernel_suseconds_t    tv_usec;    /* microseconds */
};

__kernel_time_t 和__kernel_suseconds_t 实际上都是long型的整数。gettimeofday和settimeofday使用timeval作为时间单位。

3.  struct timespec

timespec由秒和纳秒组成，它的定义如下：

struct timespec {
    __kernel_time_t tv_sec;         /* seconds */
    long        tv_nsec;        /* nanoseconds */
};

同样地，内核也提供了一些辅助函数用于jiffies、timeval、timespec之间的转换：

static inline int timespec_equal(const struct timespec *a, const struct timespec *b);
static inline int timespec_compare(const struct timespec *lhs, const struct timespec *rhs);
static inline int timeval_compare(const struct timeval *lhs, const struct timeval *rhs);
extern unsigned long mktime(const unsigned int year, const unsigned int mon,
                const unsigned int day, const unsigned int hour,
                const unsigned int min, const unsigned int sec);
extern void set_normalized_timespec(struct timespec *ts, time_t sec, s64 nsec);
static inline struct timespec timespec_add(struct timespec lhs, struct timespec rhs);
static inline struct timespec timespec_sub(struct timespec lhs, struct timespec rhs);

static inline s64 timespec_to_ns(const struct timespec *ts);
static inline s64 timeval_to_ns(const struct timeval *tv);
extern struct timespec ns_to_timespec(const s64 nsec);
extern struct timeval ns_to_timeval(const s64 nsec);
static __always_inline void timespec_add_ns(struct timespec *a, u64 ns);

unsigned long timespec_to_jiffies(const struct timespec *value);
void jiffies_to_timespec(const unsigned long jiffies, struct timespec *value);
unsigned long timeval_to_jiffies(const struct timeval *value);
void jiffies_to_timeval(const unsigned long jiffies, struct timeval *value);

timekeeper中的xtime字段用timespec作为时间单位。

4.  struct ktime

linux的通用时间架构用ktime来表示时间，为了兼容32位和64位以及big-little endian系统，ktime结构被定义如下：

union ktime {
    s64 tv64;
#if BITS_PER_LONG != 64 && !defined(CONFIG_KTIME_SCALAR)
    struct {
# ifdef __BIG_ENDIAN
    s32 sec, nsec;
# else
    s32 nsec, sec;
# endif
    } tv;
#endif
};

64位的系统可以直接访问tv64字段，单位是纳秒，32位的系统则被拆分为两个字段：sec和nsec，并且照顾了大小端的不同。高精度定时器通常用ktime作为计时单位。下面是一些辅助函数用于计算和转换：

ktime_t ktime_set(const long secs, const unsigned long nsecs);
ktime_t ktime_sub(const ktime_t lhs, const ktime_t rhs);
ktime_t ktime_add(const ktime_t add1, const ktime_t add2);
ktime_t ktime_add_ns(const ktime_t kt, u64 nsec);
ktime_t ktime_sub_ns(const ktime_t kt, u64 nsec);
ktime_t timespec_to_ktime(const struct timespec ts);
ktime_t timeval_to_ktime(const struct timeval tv);
struct timespec ktime_to_timespec(const ktime_t kt);
struct timeval ktime_to_timeval(const ktime_t kt);
s64 ktime_to_ns(const ktime_t kt);
int ktime_equal(const ktime_t cmp1, const ktime_t cmp2);
s64 ktime_to_us(const ktime_t kt);
s64 ktime_to_ms(const ktime_t kt);
ktime_t ns_to_ktime(u64 ns);