深入V8引擎-Time核心方法之win篇(2)

　　这一篇讲windows系统下TimeTicks的实现。

　　对于tick，V8写了相当长的一段discussion来讨论windows系统上计数的三种实现方法以及各自的优劣，注释在time.cc的572行，这里直接简单翻译一下，不贴出来了。

CPU cycle counter.(Retrieved via RDTSC)

　　CPU计数器拥有最高的分辨率，消耗也是最小的。然而，在一些老的CPU上会有问题；1、每个处理器独立唯一各自的tick，并且处理器之间不会同步数据。2、计数器会因为温度、功率等原因频繁变化，有些情况甚至会停止。

QueryPerformanceCounter (QPC)

　　QPC计数法就是之前libuv用的API，分辨率也相当的高。比起CPU计数器，优点就是不存在多处理器有多个tick，保证数据的唯一。但是在老的CPU上，也会因为BIOS、HAL而出现一些问题。

System Time

　　通过别的windowsAPI返回的系统时间来计数。

　　上一篇Clock类的构造函数中，对TimeTicks属性的初始化也只是调用了老TimeTicks的Now方法，所以直接上Now的代码。

TimeTicks InitialTimeTicksNowFunction();

using TimeTicksNowFunction = decltype(&TimeTicks::Now);
TimeTicksNowFunction g_time_ticks_now_function = &InitialTimeTicksNowFunction;

TimeTicks TimeTicks::Now() {
  TimeTicks ticks(g_time_ticks_now_function());
  DCHECK(!ticks.IsNull());
  return ticks;
}

　　windows系统下，会预先一个初始化方法，这里的语法不用去理解，只需要知道调用InitialTimeTicksNowFunction方法后，将其返回作为参数构造一个TimeTicks对象，返回的就是硬件时间戳。

　　这个方法比较简单，如下。

TimeTicks InitialTimeTicksNowFunction() {
  InitializeTimeTicksNowFunctionPointer();
  return g_time_ticks_now_function();
}

　　可以看到，那个g_time_ticks_now_function又被调用了一次，但是作为一个函数指针，第二次调用的时候指向的就不是同一个方法。至于为什么特意弄一个函数指针，后面会具体解释。

　　看这里的第一个方法。

void InitializeTimeTicksNowFunctionPointer() {
  LARGE_INTEGER ticks_per_sec = {};
  if (!QueryPerformanceFrequency(&ticks_per_sec)) ticks_per_sec.QuadPart = ;

  // 如果windows不支持QPC或者该方法不可靠 会降级去使用低分辨率的lowB方法
  TimeTicksNowFunction now_function;
  CPU cpu;
  // QPC不好使的情况
  if (ticks_per_sec.QuadPart <=  || !cpu.has_non_stop_time_stamp_counter() ||
      IsBuggyAthlon(cpu)) {
    now_function = &RolloverProtectedNow;
  }
  // 好使的情况
  else {
    now_function = &QPCNow;
  }

  // 这里不需要担心多线程问题 因为更改的都是同一个全局变量
  g_qpc_ticks_per_second = ticks_per_sec.QuadPart;
  // 先不管这个 不然讲不完
  ATOMIC_THREAD_FENCE(memory_order_release);
  g_time_ticks_now_function = now_function;
}

　　从几个赋值可以看到，整个函数都是围绕着函数指针now_function的指向，其实也就是g_time_ticks_now_function，根据系统对QPC的支持，来选择不同的方法实现TimeTicks。

　　所以，特意用一个函数指针来控制Now方法的目的也明显了，理论上只有第一次调用会进到这个特殊函数，检测当前操作系统的QPC是否适用，然后选择对应的方法。后面再次调用的时候，就直接进入选好的方法(具体思想可以参考《JavaScript高级程序设计》高级技巧章节的惰性载入函数)。这个情况有一点像我在解析node事件轮询时提到的线程池初始化情形，不同的是，这里V8没有特意去加一个锁来防止多线程竞态。原因也很简单，因为此处只是对一个全局的函数指针做赋值，就算多赋值几次对后续的线程并没有任何影响，没有必要特意做锁。

　　关于QueryPerformanceFrequency方法(这些函数名都好TM长)的具体用法，可以参考我别的博客，啥都解释写不完啦。

　　存在两种情况的实现，先看支持QPC的，删掉了合法性检测宏，这些宏无处不在，太碍眼了。

TimeTicks QPCNow() { return TimeTicks() + QPCValueToTimeDelta(QPCNowRaw()); }

V8_INLINE uint64_t QPCNowRaw() {
  LARGE_INTEGER perf_counter_now = {};
  // According to the MSDN documentation for QueryPerformanceCounter(), this
  // will never fail on systems that run XP or later.
  // https://msdn.microsoft.com/library/windows/desktop/ms644904.aspx
  // 这里说理论上XP以后的系统都支持QPC
  BOOL result = ::QueryPerformanceCounter(&perf_counter_now);
  return perf_counter_now.QuadPart;
}

// To avoid overflow in QPC to Microseconds calculations, since we multiply
// by kMicrosecondsPerSecond, then the QPC value should not exceed
// (2^63 - 1) / 1E6. If it exceeds that threshold, we divide then multiply.
static constexpr int64_t kQPCOverflowThreshold = INT64_C(0x8637BD05AF7);

TimeDelta QPCValueToTimeDelta(LONGLONG qpc_value) {
  // 这里的if/else逻辑见上面静态变量的注释 也可以看我下面翻译的
  // 理论上的计算公式是 (qpc_count * 1e6) / qpc_count_per_second 得到微秒单位的硬件时间戳
  // 但是int64类型最大只能处理2^63 - 1 而这个windowsAPI返回的数字(换算乘以1e6后)可能超过这个范围
  // 如果数字过大 就用先除再乘的方式计算避免溢出

  // 正常情况
  if (qpc_value < TimeTicks::kQPCOverflowThreshold) {
    return TimeDelta::FromMicroseconds(
        qpc_value * TimeTicks::kMicrosecondsPerSecond / g_qpc_ticks_per_second);
  }
  // 溢出情况
  // 先除得到一个秒单位的时间戳
  int64_t whole_seconds = qpc_value / g_qpc_ticks_per_second;
  // 计算余数
  int64_t leftover_ticks = qpc_value - (whole_seconds * g_qpc_ticks_per_second);
  // 用整除数+余数得到最终的微秒单位时间戳
  return TimeDelta::FromMicroseconds(
      (whole_seconds * TimeTicks::kMicrosecondsPerSecond) +
      ((leftover_ticks * TimeTicks::kMicrosecondsPerSecond) /
       g_qpc_ticks_per_second));
}

　　直接看注释就好了，不过我有一些问题，先记录下来，后面对C++深入研究后再来解释。

1. 按照英文注释，qpc乘以1e6后过大，再除以一个数时会溢出。但是下面的那个方法用的是1个溢出数加上1个小整数，为啥这样就不会出问题。难道加减不存在threshold？
2. 那个计算误差是我理解的，实际上如果上过小学，把上面的变量代入第二个算式，会得到leftover_ticks为0，这里的逻辑暂时没理清。

补充

1、第一个问题我真不知道答案，在我电脑上qpc_value已经是大于那个临界值了，但是测试了一下也感觉溢出跟加减没啥区别，如下。

static constexpr int64_t kQPCOverflowThreshold = INT64_C(0x8637BD05AF7);

int main()
{
    LARGE_INTEGER a,b;
    QueryPerformanceCounter(&a);
    QueryPerformanceFrequency(&b);
    LONGLONG qpc = a.QuadPart;
    INT64 qpc_per = b.QuadPart;
    bool bl = qpc < kQPCOverflowThreshold;
    //
    cout << bl << endl;
    //
    cout << int64_t(a.QuadPart * 1e6 / b.QuadPart) << endl;

    int64_t w = qpc / qpc_per;
    int64_t l = qpc - (w * qpc_per);
    //
    cout << int64_t(w * 1e6 + (l * 1e6) / qpc_per) << endl;
}

2、我太蠢了，那个计算是为了取余数。如果qpc、qpc_per分别是111和10，那么这个leftover算式相当于111 - (111 / 10 * 10)，得到的是余数1，然后用整除后的整数、余数分别进行换算后相加。

　　总之，最后还是利用了QPC的两个API得到硬件时间戳，跟libuv的套路差不多。

　　下面来看不支持QPC的情况，不过先过一下那个if。

CPU cpu;
if (ticks_per_sec.QuadPart <=  || !cpu.has_non_stop_time_stamp_counter() ||
    IsBuggyAthlon(cpu)) {
  now_function = &RolloverProtectedNow;

　　有三个条件表明QPC不适用。

　　第一个很直白，API在当前操作系统不支持。

　　第二个是通过CPU判断QPC是否可靠，具体原理十分麻烦，有兴趣单独开一篇解释吧。

　　第三个就比较简单，有些牌子的CPU就是垃圾，直接根据内置API返回的参数判断是不是不支持的类型，如下。

bool IsBuggyAthlon(const CPU& cpu) {
  // On Athlon X2 CPUs (e.g. model 15) QueryPerformanceCounter is unreliable.
  return strcmp(cpu.vendor(), "AuthenticAMD") ==  && cpu.family() == ;
}

　　

　　正式进入QPC不支持分支。

union LastTimeAndRolloversState {
  // 完整的32位时间
  int32_t as_opaque_32;

  struct {
    // 时间头8位
    uint8_t last_8;
    // 时间重置次数
    uint16_t rollovers;
  } as_values;
};

TimeTicks RolloverProtectedNow() {
  // 见上面的解释
  LastTimeAndRolloversState state;
  DWORD now;  // DWORD is always unsigned 32 bits.

  // 这是一个原子操作数 线程安全
  int32_t original = g_last_time_and_rollovers.load(std::memory_order_acquire);
  while (true) {
    // 类型为int32位整数
    state.as_opaque_32 = original;
    // 定义如下 实际上就是windowsAPI的timeGetTime
    // DWORD timeGetTimeWrapper() { return timeGetTime(); }
    // DWORD (*g_tick_function)(void) = &timeGetTimeWrapper;
    now = g_tick_function();
    // 移位后只获取头8位
    uint8_t now_8 = static_cast<uint8_t>(now >> );
    // 当头8位的时间比保存的要小时 说明返回值重置了
    if (now_8 < state.as_values.last_8) ++state.as_values.rollovers;
    state.as_values.last_8 = now_8;

    // 当两次相同时 代表当前的值是稳定可信的 直接返回
    if (state.as_opaque_32 == original) break;
    if (g_last_time_and_rollovers.compare_exchange_weak(
            original, state.as_opaque_32, std::memory_order_acq_rel)) {
      break;
    }
  }
  // 返回次数 * 2^32 加上 当前时间
  return TimeTicks() +
         TimeDelta::FromMilliseconds(
             now + (static_cast<uint64_t>(state.as_values.rollovers) << ));
}

　　这块的内容相当多，首先需要解释一下上面的核心方法timeGetTime，官网的解释如下。

The timeGetTime function retrieves the system time, in milliseconds. The system time is the time elapsed since Windows was started.(检测系统启动后所经过的毫秒数)

The return value wraps around to 0 every 2^32 milliseconds, which is about 49.71 days.(返回值会从0一直涨到2^32，然后又从0开始无限循环)

　　上面的第二段表明了为什么要用那么复杂的处理，因为这个返回值不是无限变大，而是会重置为0。而且union这个东西也很有意思，JS里面找不到对比的数据类型，类似于struct结构体，但不同点是内存共用。拿源码中的union举例子，内存结构如下所示。

　　整个过程大概是这样的。

1. 每次获取timeGetTime的值，只获取头8位的值now_8。
2. 判断now_8是否小于union里面保存的last_8，如果小了(从1111...1111变成000...1)，说明时间重置了，将重置次数+1。
3. 替换last_8为新获取的now_8。
4. 判断当前整个整数是否与上一次获取时相同(涉及多线程操作)，相同的话直接返回输出结果。

　　最后返回值的计算也很简单了，就是重置次数rollovers乘以重置一次的时间2^32，加上当前获取的now，得到总的硬件时间戳。

　　完事了。