Linux 时钟与计时器

对 Linux 系统来说，时钟和计时器是两个十分重要的概念。时钟反应的是绝对时间，也可认为是实时时间。计时器反应的则是相对时间，即相对于系统启动后的计时。操作系统内核需要管理运行时间（uptime）和墙上时间（wall time），而内核中大量事务需要由时间驱动。

系统时钟

系统内核需要借助硬件设施来管理时间，实时时钟（RTC）是用来持久存放系统时间的设备，它由主机电池供电，因此即使关闭系统，实时时钟仍然在持续工作。

当系统启动时，系统内核从实时时钟（RTC）读取实时时间，并将该时间转换为自 1970 年 1 月 1 日零时零分零秒以来所经历的秒数（即 Linux 时间秒），并将该秒数保存在系统变量 xtime 中。可以说实时时钟的主要作用就是初始化 xtime 变量。

系统计时器

系统计时器驱动着周期性发生的事件，在 X86 架构的系统中，系统计时器通常是一种可编程硬件芯片。系统计时器的频率称之为节拍率（tick rate），在内核中使用 HZ 变量来表示节拍率。

对 X86 架构系统而言，内核版本 2.4 之前，系统计时器的节拍率为 100。自内核版本 2.6 开始，系统计时器节拍率设置为 1000。节拍率 HZ = 1000 的含义是系统计时器每秒钟可产生 1000 次中断请求，每一个计时中断周期称之为一个节拍（tick），也就是说每个节拍时长为 1 秒 / 1000次 = 0.001 秒 = 1 毫秒。节拍的时长决定着系统时间控制的精度，当节拍率从 100 提升到 1000 时，也就意味着系统计时器的精度从 10 毫秒提升到了 1 毫秒，这大大提高了系统对时间驱动事件调度的精度。而过于频繁的时钟中断会不可避免地增加系统计时开销。

系统计时器及其计时中断处理程序是 Linux 内核管理机制的中枢，计时中断处理程序会定期地处理以下事务（包含而不限于）：

1. 更新系统运行时间（uptime）
2. 更新墙上时间（wall time）
3. 在对称多处理器系统（SMP）上，均衡调度各处理器上的运行队列
4. 检查当前进程时间片（time slice）是否耗尽，如果耗尽，则重新调度
5. 运行超时的动态定时器
6. 更新资源耗尽和处理器时间的计算

节拍、节拍率、节拍数

运行时的 Linux 内核会周期性地发出计时中断请求（IRQ），每秒钟发出的计时中断请求数称之为节拍率，每次计时中断周期称之为节拍，实际计时中断次数称之为节拍数。

Linux 内核的节拍率在编译时通过变量 HZ 来指定，一般设置为 100 或 1000，表示每秒中断 100 次或 1000 次。如果节拍率设置为 1000，那么一个节拍周期则为 1 秒 / 1000 次 = 1 毫秒。Linux 系统使用变量 jiffies 来记录系统开机以来经历的节拍数，即从系统启动开始，每发生一次计时中断，jiffies 则加 1。通过计算 jiffies 所表示的节拍数，便可得到系统的运行时间。

节拍数转换为时间

时间（秒） = 节拍数 × 节拍时长 = 节拍数 / 节拍率

时间转换为节拍数

节拍数 = 时间（秒） / 节拍时长 = 时间（秒） × 节拍率

因此若已知系统内核 HZ = 1000，jiffies = 1000 时，便可以快速算出系统的运行时间为 jiffies / HZ = 1000 / 1000 = 1 秒。

术语

名词	释义	备注
Real Time Clock (RTC)	实时时钟
Wall Time	墙上时钟	即当前实时时间
Uptime	运行时间
Time Slice	时间片
Timer	计时器
Timer Interrupt Request (IRQ)	计时中断请求
HZ	每秒计时中断请求次数，也可称为节拍率（tick rate）	HZ 值一般为 100, 250, 300 或 1000。最常见的为 1000 和 100。
Tick	节拍	Tick 与 HZ 互为倒数，表示单次计时中断的时长。
Jiffies	节拍数	表示系统开机以来的节拍数，即经历的 Tick 数量。
Second (s)	秒
Millisecond (ms)	毫秒	1s = 1000ms
Microsecond (us)	微秒	1ms = 1000us
Nanosecond (ns)	纳秒	1us = 1000ns
Picosecond (ps)	皮秒	1ns = 1000ps

Ref.:

Linux 内核中的 jiffies 及其作用介绍及 jiffies 等相关函数详解
Linux Kernel - Jiffies
Kernel Timer Systems