jiffies 和 jiffies_64 的区别

beyes

在 Linux 内核中，jiffies 用于记录系统自启动到当前时刻系统时钟所产生的滴答数。


每一秒系统时钟的中断次数等于 HZ 的值，比如一般的 PC 中 PC 的值定义为 1000，也就是说，一秒钟内系统要收到 1000 次的时钟中断；同样，jiffies 的值在一秒钟内增加 HZ 。


系统自启动到当前时刻为止运行了 jiffies/HZ 秒。


在 include/linux/jiffies.h 中有 jiffies 的声明：

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extern unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;

由此可见，该变量在 32 位系统中为 32 位无符号整型；在 64 位系统中为 64 位无符号整型。如果只用 jiffies 的话，那么只要 49.7 天就会发生溢出，而溢出会给内核时间度量带来混乱和其他潜在的未知问题。


因此，2.6 内核中引入了一个 64 位的无符号整型变量 jiffies_64 。在 1000HZ 的情况下，该变量要在运行几亿年都不会发出溢出，从而有效的防治了溢出导致的潜在问题。jiffies_64 也在 include/linux/jiffies.h 中有声明：

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extern u64 __jiffy_data jiffies_64;

上面，u64 为 unsigned long long 类型。


为了保持兼容性及访问效率，内核中仍然保留了 jiffies 变量，因为大量的驱动程序使用该变量来进行一些与时间相关的操作。


通过链接器脚本 vmlinux.lds (x86 上位于 arch/x86/kernel 下) 可看到：

OUTPUT_FORMAT("elf32-i386", "elf32-i386", "elf32-i386")
OUTPUT_ARCH(i386)
ENTRY(phys_startup_32)
jiffies = jiffies_64;

这里使得 jiffies 只占用了 jiffies_64 的低 32 位。这里可能会有疑问，链接器脚本如何得知这两个定义在别的文件里的变量？long long 型变量赋值给 long 型变量怎么不会发出警告？


关于上面的疑问，涉及到链接器中的一个重要的概念：
在目标文件内定义的符号可以在链接器脚本内赋值，此时该符号应试被定义为全局的。每个符号都对应了一个地址，在链接器中的复制就是更改这个符号对应的地址。所以，这和 C 语言中的赋值是完全不同的概念！C 中是赋值，链接器中是改变地址，所以不存在发出类型不相符的警告问题。


下面代码模拟这一过程：


链接代码 jiffies.lds：

OUTPUT_FORMAT("elf32-i386", "elf32-i386", "elf32-i386")


OUTPUT_ARCH(i386)


jiffies = jiffies_64;

用户态程序代码：

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#include <stdio.h> 


unsigned long long jiffies_64 = 0x112345678; 
unsigned long jiffies; 


int main() 
{ 
        printf ("jiffies_64 = 0x%llx\n", jiffies_64); 
        printf ("jiffies_64 = %p\n", &jiffies_64); 


        printf ("jiffies = 0x%lx\n", jiffies); 
        printf ("jiffies = %p\n", &jiffies); 
        return (0); 
} 

编译，运行，输出：

[beyes@SLinux jiffies]$ gcc -Wall -std=c99 -o jiffies jiffies.c jiffies.lds
[beyes@SLinux jiffies]$ ./jiffies
jiffies_64 = 0x112345678
jiffies_64 = 0x80496f0
jiffies = 0x12345678
jiffies = 0x80496f0

由输出可见，jiffies 的地址和 jiffies_64 是一样的，不同的是在程序中体现的长度不同罢了。到此，也可以看到，链接器对定义在目标文件中的全局变量(同名全局符号)是可见的。

另外，jiffies_64 变量会被初始化为 INITIAL_JIFFIES ，该值定义在文件 include/linux/jiffies.h 中：

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/*
 * Have the 32 bit jiffies value wrap 5 minutes after boot
 * so jiffies wrap bugs show up earlier.
 */
#define INITIAL_JIFFIES ((unsigned long)(unsigned int) (-300*HZ))

这样，就使得系统在启动后 5 分钟时发生 jiffies 回绕。这么做有利于在早期设备驱动程序因 jiffies 回绕导致的逻辑错误，方便驱动程序的开发。

在设备驱动程序中，通常使用 jiffies 变量。因为在 32 位的系统中访问 64 位的 jiffies_64 没有直接访问 jiffies 来得快，因为在 32 位系统中访问 64 位变量需要进行两次内存访问，而且在两次内存访问中可能不是原子的，且可能会被中断，从而造成读取数据的不正确。对于需要访问 jiffies_64 变量(一般在驱动程序中很少访问 jiffies_64，通常只有内核核心代码才会访问)，内核提供了 get_jiffies_64() 来访问，该函数采用了加锁机制，以防止读取数据的不正确。