Linux 时钟管理

简介： 时钟管理是操作系统不可或缺的一个重要组成部分。无论是应用程序还是内核本身都在大量使用各种各样的timer。本文介绍了Linux操作系统曾经使用和现在正在使用的时钟管理机制，着重阐述了内核时钟子系统的整体架构以及在x86平台上的应用。

Linux 中的定时器

在 Linux 内核中主要有两种类型的定时器。一类称为 timeout 类型，另一类称为 timer 类型。timeout 类型的定时器通常用于检测各种错误条件，例如用于检测网卡收发数据包是否会超时的定时器，IO 设备的读写是否会超时的定时器等等。通常情况下这些错误很少发生，因此，使用 timeout 类型的定时器一般在超时之前就会被移除，从而很少产生真正的函数调用和系统开销。总的来说，使用 timeout 类型的定时器产生的系统开销很小，它是下文提及的 timer wheel 通常使用的环境。此外，在使用 timeout 类型定时器的地方往往并不关心超时处理，因此超时精确与否，早 0.01 秒或者晚 0.01 秒并不十分重要，这在下文论述 deferrable timers 时会进一步介绍。timer 类型的定时器与 timeout 类型的定时器正相反，使用 timer 类型的定时器往往要求在精确的时钟条件下完成特定的事件，通常是周期性的并且依赖超时机制进行处理。例如设备驱动通常会定时读写设备来进行数据交互。如何高效的管理 timer 类型的定时器对提高系统的处理效率十分重要，下文在介绍 hrtimer 时会有更加详细的论述。

内核需要进行时钟管理，离不开底层的硬件支持。在早期是通过 8253 芯片提供的 PIT（Programmable Interval Timer）来提供时钟，但是 PIT 的频率很低，只能提供最高 1ms 的时钟精度，由于 PIT 触发的中断速度太慢，会导致很大的时延，对于像音视频这类对时间精度要求更高的应用并不足够，会极大的影响用户体验。随着硬件平台的不断发展变化，陆续出现了 TSC（Time Stamp Counter），HPET（High Precision Event Timer），ACPI PM Timer（ACPI Power Management Timer），CPU Local APIC Timer 等精度更高的时钟。这些时钟陆续被 Linux 的时钟子系统所采纳，从而不断的提高 Linux 时钟子系统的性能和灵活性。这些不同的时钟会在下文不同的章节中分别进行介绍。