浅谈Linux内核中的形形色色的“钟表”

一、前言

时钟或者钟表（clock）是一种计时工具，每个人都至少有一块，可能在你的手机里，也可能佩戴在你的手腕上。如果Linux也是一个普通人的话，那么她的手腕上应该有十几块手表，包括：CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID、CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID、CLOCK_MONOTONIC_RAW、CLOCK_REALTIME_COARSE、CLOCK_MONOTONIC_COARSE、CLOCK_BOOTTIME、CLOCK_REALTIME_ALARM、CLOCK_BOOTTIME_ALARM、CLOCK_TAI。本文主要就是介绍Linux内核中的形形色色的“钟表”。

二、理解Linux中各种clock分类的基础

既然本文讲Linux中的计时工具，那么我们首先面对的就是“什么是时间？”，这个问题实在是太难回答了，因此我们这里就不正面回答了，我们只是从几个侧面来窥探时间的特性，而时间的本质就留给物理学家和哲学家思考吧。

1、如何度量时间

时间往往是和变化相关，因此人们往往喜欢使用有固定周期变化规律的运动行为来定义时间，于是人们把地球围自转一周的时间分成24份，每一份定义为一个小时，而一个小时被平均分成3600份，每一份就是1秒。然而，地球的运动周期不是那么稳定，怎么办？多测量几个，平均一下嘛。

虽然通过天体的运动定义了秒这样的基本的时间度量单位，但是，要想精确的表示时间，我们依赖一种有稳定的周期变化的现象。上一节我们说过了：地球围绕太阳运转不是一个稳定的周期现象，因此每次观察到的周期不是固定的（当然都大约是24小时的样子），用它来定义秒多少显得不是那么精准。科学家们发现铯133原子在能量跃迁时候辐射的电磁波的振荡频率非常的稳定（不要问我这是什么原理，我也不知道），因此被用来定义时间的基本单位：秒（或者称之为原子秒）。

2、Epoch

定义了时间单位，等于时间轴上有了刻度，虽然这条代表时间的直线我们不知道从何开始，最终去向何方，我们终归是可以把一个时间点映射到这条直线上了。甚至如果定义了原点，那么我们可以用一个数字（到原点的距离）来表示时间。

如果说定义时间的度量单位是技术活，那么定义时间轴的原点则完全是一个习惯问题。拿出你的手表，上面可以读出2017年5月10，23时17分28秒07毫秒……作为一个地球人，你选择了耶稣诞辰日做原点，讲真，这弱爆了。作为linuxer，你应该拥有这样的一块手表，从这个手表上只能看到一个从当前时间点到linux epoch的秒数和毫秒数。Linux epoch定义为1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC)，后面的这个UTC非常非常重要，我们后面会描述。

除了wall time，linux系统中也需要了解系统自启动以来过去了多少的时间，这时候，我们可以把钟表的epoch调整成系统的启动时间点，这时候获取系统启动时间就很容易了，直接看这块钟表的读数即可。

3、时间调整

记得小的时候，每隔一段时间，老爸的手表总会慢上一分钟左右的时间，也是他总是在7点钟，新闻联播之前等待那校时的最后一响。一听到“刚才最后一响是北京时间7点整”中那最后“滴”的一声，老爸也把自己的手表调整成为7点整。对于linux系统，这个操作类似clock_set接口函数。

类似老爸机械表的时间调整，linux的时间也需要调整，机械表的发条和齿轮结构没有那么精准，计算机的晶振亦然。前面讲了，UTC的计时是基于原子钟的，但是来到Linux内核这个场景，我们难道要为我们的计算机安装一个原子钟来计时吗？当然可以，如果你足够有钱的话。我们一般人的计算机还是基于系统中的本地振荡器来计时的，虽然精度不理想，但是短时间内你也不会有太多的感觉。当然，人们往往是向往更精确的计时（有些场合也需要），因此就有了时间同步的概念（例如NTP（Network Time Protocol））。

所谓时间同步其实就是用一个精准的时间来调整本地的时间，具体的调整方式有两种，一种就是直接设定当前时间值，另外一种是采用了润物细无声的形式，对本地振荡器的输出进行矫正。第一种方法会导致时间轴上的时间会向前或者向后的跳跃，无法保证时间的连续性和单调性。第二种方法是对时间轴缓慢的调整（而不是直接设定），从而保证了连续性和单调性。

4、闰秒（leap second）

通过原子秒延展出来的时间轴就是TAI（International Atomic Time）clock。这块“表”不管日出、日落，机械的按照ce原子定义的那个秒在推进时间。冷冰冰的TAI clock虽然精准，但是对人类而言是不友好的，毕竟人还是生活在这颗蓝色星球上。而那些基于地球自转，公转周期的时间（例如GMT）虽然符合人类习惯，但是又不够精确。在这样的背景下，UTC（Coordinated Universal Time）被提出来了，它是TAI clock的基因（使用原子秒），但是又会适当的调整（leap second），满足人类生产和生活的需要。

OK，至此，我们了解了TAI和UTC两块表的情况，这两块表的发条是一样的，按照同样的时间滴答（tick，精准的根据原子频率定义的那个秒）来推动钟表的秒针的转动，唯一不同的是，UTC clock有一个调节器，在适当的时间，可以把秒针向前或者向后调整一秒。

TAI clock和UTC clock在1972年进行了对准（相差10秒），此后就各自独立运行了。在大部分的时间里，UTC clock跟随TAI clock，除了在适当的时间点，realtime clock会进行leap second的补偿。从1972年到2017年，已经有了27次leap second，因此TAI clock的读数已经比realtime clock（UTC时间）快了37秒。换句话说，TAI和UTC两块表其实可以抽象成一个时间轴，只不过它们之间有一个固定的偏移。在1972年，它们之间的offset是10秒，经过多年的运转，到了2017年，offset累计到37秒，让我静静等待下一个leap second到了的时刻吧。

5、计时范围

有一类特殊的clock称作秒表，启动后开始计时，中间可以暂停，可以恢复。我们可以通过这样的秒表来记录一个人睡眠的时间，当进入睡眠状态的时候，按下start按键开始计时，一旦醒来则按下stop，暂停计时。linux中也有这样的计时工具，用来计算一个进程或者线程的执行时间。

6、时间精度

时间是连续的吗？你眼中的世界是连续的吗？看到窗外清风吹拂的树叶的时候，你感觉每一个树叶的形态都被你捕捉到了。然而，未必，你看急速前进的汽车的轮胎的时候，感觉车轮是倒转的。为什么？其实这仅仅是因为我们的眼睛大约是每秒15～20帧的速度在采样这个世界，你看到的世界是离散的。算了，扯远了，我们姑且认为时间的连续的，但是Linux中的时间记录却不是连续的，我们可以用下面的图片表示：

系统在每个tick到来的时候都会更新系统时间（到linux epoch的秒以及纳秒值记录），当然，也有其他场景进行系统时间的更新，这里就不赘述了。因此，对于linux的时间而言，它是一些离散值，是一些时间采样点的值而已。当用户请求时间服务的时候，例如获取当前时间（上图中的红线），那么最近的那个Tick对应的时间采样点值再加上一个当前时间点到上一个tick的delta值就精准的定位了当前时间。不过，有些场合下，时间精度没有那么重要，直接获取上一个tick的时间值也基本是OK的，不需要校准那个delta也能满足需求。而且粗粒度的clock会带来performance的优势。

7、睡觉的时候时间会停止运作吗？

在现实世界提出这个问题会稍显可笑，鲁迅同学有一句名言：时间永是流逝，街市依旧太平。但是对于Linux系统中的clock，这个就有现实的意义了。比如说clock的一个重要的派生功能是创建timer（也就是说timer总是基于一个特定的clock运作）。在一个5秒的timer超期之前，系统先进入了suspend或者关机状态，这时候，5秒时间到达的时候，一般的timer都不会触发，因为底层的clock可能是基于一个free running counter的，在suspend或者关机状态的时候，这个HW counter都不再运作了，你如何期盼它能唤醒系统，来执行timer expired handler？但是用户还是有这方面的实际需求的，最简单的就是关机闹铃。怎么办？这就需要一个特别的clock，能够在suspend或者关机的时候，仍然可以运作，推动timer到期触发。

三、Linux下的各种clock总结

在linux系统中定义了如下的clock id：

#define CLOCK_REALTIME            0 
#define CLOCK_MONOTONIC            1 
#define CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID    2 
#define CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID        3 
#define CLOCK_MONOTONIC_RAW        4 
#define CLOCK_REALTIME_COARSE        5 
#define CLOCK_MONOTONIC_COARSE        6 
#define CLOCK_BOOTTIME            7 
#define CLOCK_REALTIME_ALARM        8 
#define CLOCK_BOOTTIME_ALARM        9 
#define CLOCK_SGI_CYCLE            10    /* Hardware specific */ 
#define CLOCK_TAI            11

CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID和CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID这两个clock是专门用来计算进程或者线程的执行时间的（用于性能剖析），一旦进程（线程）被切换出去，那么该进程（线程）的clock就会停下来。因此，这两种的clock都是per-process或者per-thread的，而其他的clock都是系统级别的。

根据上面一章的各种分类因素，我们可以将其他clock总结整理如下：

	leap second？	clock set？	clock tunning？	original point	resolution	active in suspend？
realtime	yes	yes	yes	Linux epoch	ns	no
monotonic	yes	no	yes	Linux epoch	ns	no
monotonic raw	yes	no	no	Linux epoch	ns	no
realtime coarse	yes	yes	yes	Linux epoch	tick	no
monotonic coarse	yes	no	yes	Linux epoch	tick	no
boot time	yes	no	yes	machine start	ns	no
realtime alarm	yes	yes	yes	Linux epoch	ns	yes
boottime alarm	yes	no	yes	machine start	ns	yes
tai	no	no	no	Linux epoch	ns	no