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逍遥子 曰:

得失失得 何必患得患失 舍得得舍 不妨不舍不得

 
 
 

日志

 
 

浅谈时间函数gettimeofday的成本[转]  

2013-03-07 10:12:58|  分类: linux c/c++开发 |  标签: |举报 |字号 订阅

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我们在程序中会频繁地取当前时间,例如处理一个http请求时,两次调用gettimeofday取差值计算出处理该请求消耗了多少秒。这样的调用 无处不在,所以我们有必要详细了解下,gettimeofday这个函数做了些什么?内核1ms一次的时钟中断处理真的可以支持tv_usec字段达到微 秒精度吗?它的调用成本在i386/x86_64体系架构上代价一样吗?如果在系统繁忙时,频繁的调用它有问题吗?


gettimeofday是C库提供的函数(不是系统调用),它封装了内核里的sys_gettimeofday系统调用,就是说,归根到底是系统调用。


但是,内核对于x86_64体系结构下,除了普通的系统调用外,还提供了sysenter和vsyscall方式来获取内核态的数据。目前我们使用 的操作系统大都是x86_64体系的,如果我们用strace命令跟踪,就会发现gettimeofday命令实际上没有执行系统调用(i386体系会 有),这是因为:x86_64体系上,使用vsyscall实现了gettimeofday这个系统调用。具体就是,创建了一个共享的内存页面,它是在内 核态的,它的数据由内核来维护,但是,用户态也有权限访问这个内核页面,由此,不通过中断gettimeofday也就拿到了系统时间。


接下来,我来详细回答以上4个问题。


一、gettimeofday做了些什么?

它把内核保存的墙上时间和jiffies综合处理后返回给用户。解释下墙上时间和jiffies是什么:1、墙上时间就是实际时间(1970/1 /1号以来的时间),它是由我们主板电池供电的(装过PC机的同学都了解)RTC单元存储的,这样即使机器断电了时间也不用重设。当操作系统启动时,会用 这个RTC来初始化墙上时间,接着,内核会在一定精度内根据jiffies维护这个墙上时间。2、jiffies就是操作系统启动后经过的时间,它的单位 是节拍数。有些体系架构,1个节拍数是10ms,但我们常用的x86体系下,1个节拍数是1ms。也就是说,jiffies这个全局变量存储了操作系统启 动以来共经历了多少毫秒。我们来看看gettimeofday是如何做的。首先它调用了sys_gettimeofday系统调用。

  1. asmlinkage long sys_gettimeofday(struct timeval __user *tv, struct timezone __user *tz)  
  2. {  
  3.     if (likely(tv != NULL)) {  
  4.         struct timeval ktv;  
  5.         do_gettimeofday(&ktv);  
  6.         if (copy_to_user(tv, &ktv, sizeof(ktv)))  
  7.             return -EFAULT;  
  8.     }  
  9.     if (unlikely(tz != NULL)) {  
  10.         if (copy_to_user(tz, &sys_tz, sizeof(sys_tz)))  
  11.             return -EFAULT;  
  12.     }  
  13.     return 0;  

大家看到,它调用do_gettimeofday函数取到当前时间存储到局部变量ktv上,然后调用copy_to_user把结果复制到用户空间。每个体系都有自己的实现,我这里就简单列下x86_64体系下do_gettimeofday的实现:
  1. void do_gettimeofday(struct timeval *tv)  
  2. {  
  3.     unsigned long seq, t;  
  4.     unsigned int sec, usec;  
  5.   
  6.     do {  
  7.         seq = read_seqbegin(&xtime_lock);  
  8.   
  9.         sec = xtime.tv_sec;  
  10.         usec = xtime.tv_nsec / 1000;  
  11.   
  12.         /* i386 does some correction here to keep the clock  
  13.            monotonous even when ntpd is fixing drift. 
  14.            But they didn't work for me, there is a non monotonic 
  15.            clock anyways with ntp. 
  16.            I dropped all corrections now until a real solution can 
  17.            be found. Note when you fix it here you need to do the same 
  18.            in arch/x86_64/kernel/vsyscall.c and export all needed 
  19.            variables in vmlinux.lds. -AK */   
  20.   
  21.         t = (jiffies - wall_jiffies) * (1000000L / HZ) +  
  22.             do_gettimeoffset();  
  23.         usec += t;  
  24.   
  25.     } while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));  
  26.   
  27.     tv->tv_sec = sec + usec / 1000000;  
  28.     tv->tv_usec = usec % 1000000;  
  29. }  

大家看到,只是把xtime加以jiffies修正后返回给用户而已。而xtime变量和jiffies的维护更新频率,就决定了时间精度,上面说了,每10或者1ms才处理一次时钟中断,难道精度只到1ms吗?继续往下。


二、内核1ms一次的时钟中断真的可以支持tv_usec字段达到微秒精度吗?
可以,因为这个时间还会由High Precision Event Timer来维护,这个模块会处理微秒级的中断,并更新xtime和jiffies变量。我们看下x86_64体系结构下的维护代码:

  1. static struct irqaction irq0 = {  
  2.     timer_interrupt, SA_INTERRUPT, CPU_MASK_NONE, "timer", NULL, NULL  
  3. };  

这个timer_interrupt函数会处理HPET时间中断,来更新xtime变量。


三、它的调用成本在所有的操作系统上代价一样吗?如果在系统繁忙时,1毫秒内调用多次有问题吗?

最上面已经说了,对于x86_64系统来说,这是个虚拟系统调用vsyscall!所以,这里它不用发送中断!速度很快,成本低,调用一次的成本大概不到一微秒!

对于i386体系来说,这就是系统调用了!最简单的系统调用都有无法避免的成本:陷入内核态。当我们调用gettimeofday时,将会向内核发 送软中断,然后将陷入内核态,这时内核至少要做下列事:处理软中断、保存所有寄存器值、从用户态复制函数参数到内核态、执行、将结果复制到用户态。这些成 本至少在1微秒以上!


四、关于jiffies值得一提的两点

先看看它的定义:

  1. volatile unsigned long __jiffies;  

只谈两点。

1、它用了一个C语言里比较罕见的关键字volatile,这个关键字用于解决并发问题。C语言编译器很喜欢做优化的,它不清楚某个变量可能会被并 发的修改,例如上面的jiffies变量首先是0,如果首先一个CPU修改了它的值为1,紧接着另一个CPU在读它的值,例如 __jiffies = 0; while (__jiffies == 1),那么在内核的C代码中,如果不加volatile字段,那么第二个CPU里的循环体可能不会被执行到,因为C编译器在对代码做优化时,生成的汇编代 码不一定每次都会去读内存!它会根据代码把变量__jiffies设为0,并一直使用下去!而加了volatile字段后,就会要求编译器,每次使用到 __jiffies时,都要到内存里真实的读取这个值。


2、它的类型是unsigned long,在32位系统中,最大值也只有43亿不到,从系统启动后49天就到达最大值了,之后就会清0重新开始。那么jiffies达到最大值时的回转问 题是怎么解决的呢?或者换句话说,我们需要保证当jiffies回转为一个小的正数时,例如1,要比几十秒毫秒前的大正数大,例如4294967290, 要达到jiffies(1)>jiffies(4294967290)这种效果。

内核是通过定义了两个宏来解决的:

  1. #define time_after(a,b)     \  
  2.     (typecheck(unsigned long, a) && \  
  3.      typecheck(unsigned long, b) && \  
  4.      ((long)(b) - (long)(a) < 0))  
  5. #define time_before(a,b)    time_after(b,a)  

很巧妙的设计!仅仅把unsigned long转为long类型后相减比较,就达到了jiffies(1)>jiffies(4294967290)效果,简单的解决了jiffies的回转问题,赞一个。
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