Linux时间子系统之三：jiffies

 1. jiffies背景介绍

jiffies记录了系统启动以来，经过了多少tick。

一个tick代表多长时间，在内核的CONFIG_HZ中定义。比如CONFIG_HZ=200，则一个jiffies对应5ms时间。所以内核基于jiffies的定时器精度也是5ms。

2. jiffies初始化与更新

2.1 jiffies初始化

jiffies的初始值并不是0，而是300s后即将溢出的的值。这是为了存在溢出问题的情况下，尽早暴露问题。

arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S：

  jiffies = jiffies_64;

include/linux/jiffies.h：
/*
 * Have the 32 bit jiffies value wrap 5 minutes after boot
 * so jiffies wrap bugs show up earlier.
 */
#define INITIAL_JIFFIES ((unsigned long)(unsigned int) (-300*HZ))


kernel/timer.c：
u64 jiffies_64 __cacheline_aligned_in_smp = INITIAL_JIFFIES;

EXPORT_SYMBOL(jiffies_64);

jiffies_64的初始值是4294907296，2^32-1=4294967295。4294967295-4294907296+1=60000个tick，1HZ等于200,200*300=60000。

下面的log信息是在do_timer中打印的，jiffies_64是jiffies的64位变量，jiffies是jiffies的32位变量，ticks是一次增加的ticks数，最后面的jiffies其实是monotonic的ms数。

[  427.637176] arnoldlu [do_timer 1294] jiffies_64=4294965200 jiffies=4294965200 ticks=4, jiffies=289541
[  430.639099] arnoldlu [do_timer 1294] jiffies_64=4294965800 jiffies=4294965800 ticks=4, jiffies=292543
[  436.638854] arnoldlu [do_timer 1294] jiffies_64=4294967000 jiffies=4294967000 ticks=4, jiffies=298543
[  439.603607] arnoldlu [do_timer 1294] jiffies_64=4294967596 jiffies=300 ticks=1, jiffies=301508------------32位jiffies在溢出过后，从0重新计数。301508ms，换算成tick是60301个tick，即60000+300+1,60000是移除前经历的tick数目，300是当前jiffies，1是此次新增jiffies数。
[  440.119110] arnoldlu [do_timer 1294] jiffies_64=4294967696 jiffies=400 ticks=4, jiffies=302023------------jiffies_64不存在溢出情况。
[  446.119903] arnoldlu [do_timer 1294] jiffies_64=4294968896 jiffies=1600 ticks=4, jiffies=308024
[  446.600616] arnoldlu [do_timer 1294] jiffies_64=4294968996 jiffies=1700 ticks=1, jiffies=308505

 2.2 jiffies的更新

jiffies就是ktime_get()的另一种形式。

void do_timer(unsigned long ticks)
{
    jiffies_64 += ticks;
    update_wall_time();
    calc_global_load(ticks);
}


/*
 * Must be called with interrupts disabled !
 */
static void tick_do_update_jiffies64(ktime_t now)-----------------只有一个参数，所有的now值都是通过ktime_get()获取的。
{
    unsigned long ticks = 0;
    ktime_t delta;

    /*
     * Do a quick check without holding xtime_lock:
     */
    delta = ktime_sub(now, last_jiffies_update);-------------------last_jiffies_update是上一次jiffies更新的时间，类型为ktime_t。
    if (delta.tv64 < tick_period.tv64)-----------------------------tick_period = ktime_set(0, NSEC_PER_SEC / HZ)，tick_period是一个tick时间值，单位是ktime_t。
        return;

    /* Reevalute with xtime_lock held */
    write_seqlock(&xtime_lock);

    delta = ktime_sub(now, last_jiffies_update);--------------------为什么重新做一次？！delta表示从上次更新jiffies到现在的时间差。
    if (delta.tv64 >= tick_period.tv64) {

        delta = ktime_sub(delta, tick_period);
        last_jiffies_update = ktime_add(last_jiffies_update,
                        tick_period);

        /* Slow path for long timeouts */
        if (unlikely(delta.tv64 >= tick_period.tv64)) {-------------减去一个tick_period之后，delta还大于一个tick_period。
            s64 incr = ktime_to_ns(tick_period);

            ticks = ktime_divns(delta, incr);-----------------------计算剩余的ticks

            last_jiffies_update = ktime_add_ns(last_jiffies_update,
                               incr * ticks);
        }
        do_timer(++ticks);------------------------------------------如果delta没有超过两个tick，此时ticks为1；如果ticks超过两个这时++ticks就包括第一次delta和第二次delta两部分。

        /* Keep the tick_next_period variable up to date */
        tick_next_period = ktime_add(last_jiffies_update, tick_period);
    }
    write_sequnlock(&xtime_lock);
}

 jiffies是由do_timer()更新的，下面是调用tick_do_update_jiffies64的几条路径：

tick_check_idle-->tick_check_nohz-->tick_nohz_update_jiffies-->tick_do_update_jiffies64
tick_nohz_idle_enter/tick_nohz_irq_exit-->tick_nohz_stop_sched_tick-->tick_do_update_jiffies64
tick_setup_sched_timer-->tick_sched_timer-->tick_do_update_jiffies64

  2.3 jiffies回绕周期

在一jiffies为5秒情况下，2^32-1个jiffies时间为4294967295。

jiffies回绕周期为：4294967295*5(ms)=248.5513480902778(天)。

2.4 jiffies和jiffies_64的关系

arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中定义了赋值：

#ifndef __ARMEB__
jiffies = jiffies_64;
#else
jiffies = jiffies_64 + 4;
#endif

这里使得 jiffies 只占用了 jiffies_64 的低 32 位。这里可能会有疑问，链接器脚本如何得知这两个定义在别的文件里的变量？long long 型变量赋值给 long 型变量怎么不会发出警告？ 

关于上面的疑问，涉及到链接器中的一个重要的概念： 
在目标文件内定义的符号可以在链接器脚本内赋值，此时该符号应试被定义为全局的。每个符号都对应了一个地址，在链接器中的赋值就是更改这个符号对应的地址。

所以，这和 C 语言中的赋值是完全不同的概念！C 中是赋值，链接器中是改变地址，所以不存在发出类型不相符的警告问题。 

在设备驱动程序中，通常使用 jiffies 变量。

因为在 32 位的系统中访问 64 位的 jiffies_64 没有直接访问 jiffies 来得快，因为在 32 位系统中访问 64 位变量需要进行两次内存访问，

而且在两次内存访问中可能不是原子的，且可能会被中断，从而造成读取数据的不正确。

对于需要访问 jiffies_64 变量(一般在驱动程序中很少访问 jiffies_64，通常只有内核核心代码才会访问)，内核提供了 get_jiffies_64() 来访问，该函数采用了加锁机制，以防止读取数据的不正确。

    seq_printf(m, "%lu.%02lu %lu.%02lu jiffies=%lu &jiffies=%p (u64)jiffies=%llu (u64)jiffies_64=%llu &jiffies_64=%p get_jiffies_64()=%llu
",
            (unsigned long) uptime.tv_sec,
            (uptime.tv_nsec / (NSEC_PER_SEC / 100)),
            (unsigned long) idle.tv_sec,
            (idle.tv_nsec / (NSEC_PER_SEC / 100)), jiffies, &jiffies, (u64)jiffies, (u64)jiffies_64, &jiffies_64, get_jiffies_64());

 下面是上面代码打印结果：

79.87 68.30 jiffies=4294923270 &jiffies=c0624168 (u64)jiffies=4294923270 (u64)jiffies_64=4294923270 &jiffies_64=c0624168 get_jiffies_64()=4294923270

337.74 320.52 jiffies=7548 &jiffies=c0624168 (u64)jiffies=7548 (u64)jiffies_64=4294974844 &jiffies_64=c0624168 get_jiffies_64()=4294974844

结论：

1. jiffies 的地址和 jiffies_64 是一样的，不同的是在程序中体现的长度不同罢了。也可以看到，链接器对定义在目标文件中的全局变量(同名全局符号)是可见的。 

2. 32位的jiffies容易溢出，在开机300秒回绕。

3. 将jiffies强转成unsigned long long也没有获取jiffies_64的值。

4. 在32位系统上，读取64位变量需要两次内存访问，最好使用get_jiffies_64()避免两次内存访问数据不一致。

3. jiffies相关应用

3.1 jiffies和其他时间之间的转换

include/linux/jiffies.h：
/*
 * Convert various time units to each other:
 */
extern unsigned int jiffies_to_msecs(const unsigned long j);
extern unsigned int jiffies_to_usecs(const unsigned long j);
extern unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m);
extern unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);
extern unsigned long timespec_to_jiffies(const struct timespec *value);
extern void jiffies_to_timespec(const unsigned long jiffies,
                struct timespec *value);
extern unsigned long timeval_to_jiffies(const struct timeval *value);
extern void jiffies_to_timeval(const unsigned long jiffies,
                   struct timeval *value);
extern clock_t jiffies_to_clock_t(unsigned long x);
extern unsigned long clock_t_to_jiffies(unsigned long x);
extern u64 jiffies_64_to_clock_t(u64 x);
extern u64 nsecs_to_jiffies64(u64 n);
extern unsigned long nsecs_to_jiffies(u64 n);

3.2 jiffies比较函数

include/linux/jiffies.h：

time_after(a,b)----------------------------------------使用这些宏定义可以防止jiffies的wrapping
time_before(a,b)
time_after_eq(a,b)    
time_before_eq(a,b)

#define time_is_before_jiffies(a) time_after(jiffies, a)------------------------将a和jiffies进行比较
#define time_is_after_jiffies(a) time_before(jiffies, a)
#define time_is_before_eq_jiffies(a) time_after_eq(jiffies, a)
#define time_is_after_eq_jiffies(a) time_before_eq(jiffies, a)

time_after为什么就放回绕功能？

#define typecheck(type,x) 
({    type __dummy; ---------------------------定义一个类型为type的__dummy变量
    typeof(x) __dummy2; -----------------------在定义一个和x类型一样的__dummy2
    (void)(&__dummy == &__dummy2); ------------两种不同类型的指针进行比较，不同类型的指针比较会出现编译错误。实现了类型检查
    1; ----------------------------------------为1，表示检查通过。
})


#define time_after(a,b)        
    (typecheck(unsigned long, a) && 
     typecheck(unsigned long, b) && ----------两个参数类型检查
     ((long)((b) - (a)) < 0))------------------重点在于(long)类型的转换

在理想的情况下，时间是可以不停增长的，后来的时间值一定比前面的值大。所以b-a一定小于0。然后计算机的世界不是一个理想的世界，

所有的值都有其位数限制的。在32位平台上，long的位数为32位。按照二进制补码的表示方式，从0到0x7fffffff的区间，值是逐渐递增的。

从0x80000000到0xFFFFFFFF这个区间，值是逐渐缩小的。

这就有4中情况：

1. a和b都在0到0x7FFFFFFF之间：

a若在b之后发生，则a的值大于b。那么(long)b-(long)a<0。

2. a和b都在0x80000000到0xFFFFFFFF之间：

a若在b之后发生，b为较大的负数，a为较小的负数，那么(long)b-(long)a<0。

3. b在0到0x7FFFFFFF之间，而a在0x80000000到0xFFFFFFFF之间：

a为负数。b-a，相当于b+(-a)。只要a与b之间的绝对差值小于或等于0x80000000，则b+(-a)仍然为负数。

4. b在0x80000000到0xFFFFFFFF之间，而a在0到0x7FFFFFFF之间：

b为负数，b-a等于b+(-a)。同样在a与b之间的绝对差值小于或等于0x80000000，则b+(-a)仍然为负数。

 总结这四种情况，在a与b的绝对值相差不到0x80000000时，这个宏是正确的。而在利用jiffies作为时间度量和比较单位时，时间差并不会太大。

 3.3 jiffies是否suspend补偿

在2-3之间有一个8.55秒的suspend。

分析如下：

1-2：将jiffies差值转换成秒，可以看出和uptime差值一样。

2-3：jiffies差值转换成秒比uptime少了8.77秒，约等于8.55，这中间包括进入suspend退出suspend耗时。

3-4：jiffies差值和uptime差值两者一致。

结论：所以jiffies没有包含suspend时间。

 3.4 jiffies与低精度timer

 低精度timer的单位是jiffies，所以低精度timer的精度也依赖于jiffies的大小。

创建修改低精度timer的时候 __mod_timer-->internal_add_timer，将当前timer加入到低精度timer的时间轮中。

参考资料：

1.Linux内核中的jiffies及其作用介绍及jiffies等相关函数详解