Linux 中的时钟准确度

本文来自戴尔软件开发高级工程师Stuart Hayes

一个关于计时的问题最近引起了我的关注。 有用户在 Dell 服务器上运行 Linux,并且发现时钟时间(Linux 所报告的)每天误差五秒以上,偏差比较明显。

我们首先想到的也许是运行 NTP,定期与真实世界同步操作系统的时钟。

但是这样的误差最初是如何产生的?

在Linux运行时,Linux 系统未使用实时时钟(real time clock - RTC) 硬件来计时。 Linux 通常在启动时从RTC 读取时间,然后从该点开始,Linux 使用另一个时钟来源(系统中的另一个计时器/计数器)来计时。

自第 2.6.18 版起,Linux 的内核就使用 CPU 时间戳计数器 (TSC) 作为首选的时钟来源(假设 TSC 以恒定频率运行,以新款的 Intel 服务器 CPU为例)。 但是,尽管读取速度很快且解析度很高,TSC 却不是一个已知的频率。 当内核使启动时,它需要使用频率已知的另一个计时器,对其进行校准。 这样的校准并非天衣无缝(即使用于校准的计时器也是如此),因此把 TSC 作为时钟来源会造成时间误差。

如果减少时间误差对您非常重要,而非若干微秒的调度延迟,则最好使用频率已知的计时器,如大多数 x86 服务器上提供的 HPET(高精度事件计时器)。 借助新内核上的参数" clocksource=hpet"可实现这一目标。 HPET 计时器以已知、固定的频率运行,Linux 内核可直接从计时器读取时间。

话说回来,尽管 HPET 的精度高于 TSC,运行 NTP 以在 Linux 中实现长期的时钟精度始终是很好的想法。
上述讨论仅适用于运行于裸机的 Linux。 在虚拟机中的问题略微复杂。

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Linux 中的时钟准确度

Linux时钟精度:毫秒?微妙?纳秒?

最近被内核时钟精度弄的很是郁闷。具体情况如下:

扫盲:1秒=1000毫秒=1000000微妙=1000000000纳秒

首先:linux有一个很重要的概念——节拍,它的单位是(次/秒)。2.6内核这个值是1000,系统中用一个HZ的宏表征这个值。同时有全局的jiffies变量,表征从开机以来经过的节拍次数(这里面还有故事,后面说,先记住这个)。当然还有wall_jiffies的墙上jiffies来表示从 07-01-1970 到现在的节拍数。每个节拍里面执行一次时钟中断。就是说,它的精度是毫秒。

接着:内核中还有一个变量xtime表征系统的实际时间(墙上时间),定义如下。其中xtime.tv_sec以秒为单位,存放从Unix祖宗定的纪元时间(19700701)到现在的秒数。xtime.tv_nsec以纳秒为单位,记录从上一秒开始经过的纳秒数。就是说,它的精度是纳秒。


最后:linux提供一个gettimeofday的系统调用,它会返回一个timeval的结构体,定义如下。解释同上,tv_sec代表墙上时间的秒,tv_usec表示从上一秒到现在经过的微秒数。就是说,它的精度是微妙。

精彩的来了:
1. 内核中的xtime会在每个时钟中断的时候被更新一次,也就是每个节拍更新一次。你妹!!每毫秒更新一次怎么能冒出来纳秒的精度??而且,内核还有可能丢失节拍。怎么能是纳秒??
2. 各种书上说,gettimeofday系统调用是读取的xtime的值。日,为啥读出来之后精度丢了?变成微妙了?

寻寻觅觅终于理清了故事:
针对问题1:在linux启动的时候,一个节拍的时间长度还会以纳秒为单位初始化到tick_nsec中,初始化值为999848ns,坑爹啊!不到一毫秒!节拍大约为1000.15Hz。靠!实际的节拍竟然不是准确的1000!所以在每个时钟中断通过wall_jiffies去更新xtime的时候得到的就是一个以纳秒为最小单位的的值。所以!xtime的粒度应该是不到1毫秒,也就是精度是不到1毫秒。

针对问题2:gettimeday系统调用的读xtime代码部分如下:

while部分使用了seg锁,只看中间的就好了。加了注释之后就很清晰了。由于节拍可能会丢失,所以lost是丢失的节拍数(不会很多)。至于计时器就比较麻烦了,timer可能有下面四种情况。

a. 如果cur_timer指向timer_hpet对象,该方法使用HPET定时器——Inter与Microsoft开发的高精度定时器频率至少10MHz,也就是说此时可提供真正的微妙级精度。
b. 如果cur_timer指向timer_pmtmr对象,该方法使用ACPI PMT计时器(电源管理定时器)平率大约3.58MHz,也就是说也可以提供真正的微妙级精度。
c. 如果cur_timer指向timer_tsc对象,该方法使用时间戳计数器,内置在所有8086处理器,每个CPU时钟,计数器增加一次,频率就是CPU频率,所以timer精度最高。完全可以胜任微妙级的精度。
d. 如果cur_timer指向timer_pit对象,该方法使用PIT计数器,也即是最开始提到的节拍计数,频率大概是1000Hz,此时显然不能提供精度达到微妙的时间。所以只有这种情况是假毫秒精度!

综上:如果使用gettimeofday系统调用,只要不要使用节拍计数器就可以保证达到微妙精度的时间(刨除进程上下文时间误差)。至于网上说的可以拿到纳秒精度的时间,看起来都是错的。除非通过修改内核,使用时间戳计数器实现。Over!

最后最后说一个事情:jiffies的定义的是4字节,你可能猜想它初始值是0。实际上,事实并非如此!linux中jiffies被初始化为0xfffb6c20,它是一个32位有符号数,正好等于-300 000。因此,计数器会在系统启动5分钟内溢出。这是为了使对jiffies溢出处理有缺陷的内核代码在开发阶段被发现,避免此类问题出现在稳定版本中。

参考《深入理解linux内核》

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Linux时钟精度:毫秒?微妙?纳秒?