这篇文章是《读薄「Linux 内核设计与实现」》系列文章的第 V 篇，本文主要讲了以下问题：Linux 内核中的时间概念和时间表示，硬件时钟和定时器以及时间中断和内存管理的相关知识。

0x00 内核中的时间概念

内核需要管理相对时间和绝对时间
硬件为内核提供了一个系统定时器用以计算流逝的时间，它以某种频率自行触发时间中断，该频率可以通过编程预定，称作节拍率
时间的作用：
- 更新系统时间
- 更新实际时间
- 定期均衡运行队列（SMP）
- 时间片
- 定期统计处理器时间

0x01 Linux 中的时间表示

I 节拍率（Hz）

在 <asm/param.h> 中定义，不同体系结构不同。

理想的Hz 值应该是多少？

高 Hz 的优势：

提高定时器频度和精度
依赖定时值值省得系统调用能够以更高精度运行
提高进程抢占的精准度

高 Hz 的劣势：

提高时钟中断频率，加重系统负担
提高中断处理程序占CPU时间
更频繁的打乱处理器高速缓存并增加能耗

II jiffies

全局变量 jiffies 用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数，定义于 <linux/jiffies.h> 中

extern unsigned long volatile jiffies;

jiffies 的回绕问题

jiffies 的值超过它的最大存放范围后就会发生溢出，溢出后它的值会回绕到0

解决方案

宏 time_after(unknown, known): 当时间 unknown 超过指定的 known 时，返回真，否则返回假；
宏 time_before(unknown, known): 当时间 unknown 没超过指定的 known 时，返回真，否则返回假；
unknown 通常是 jiffies，unknown是需要对比的值；
宏 time_before_eq 和 time_after_eq:当 unknown 和 known 相等时，返回真

unsigned long timeout = jiffies + HZ / 2; /*0.5秒后超时*/

if(time_before(jiffies, timeout)){
  /*没有超时,很好*/
}else{
  /*超时，发生错误*/
}

0x02 硬件时钟和定时器

体系结构中提供了两种设备进行计时：

系统定时器：提供了一种周期性触发中断机制
实时时钟：用来持久存放系统时间的设备

0x03 Linux 下的时钟中断

I 时钟中断处理程序做的工作

获得 xtime_lock 锁，对 jiffies_64 和 xtime 进行保护
应答或重新设置系统时钟
周期性使用墙上时间更新实时时钟
调用体系结构无关的时钟例程：do_timer()

II do_timer()

jiffies + 1
更新资源消耗的统计值
执行到期的动态定时器
执行 scheduler_tick()
更新墙上时间并存到 xtime 变量中
计算平均负载值

III 从用户空间获取时间

gettimeofday(): 对应系统调用 sys_gettimeofday()

0x04 Linux 内存页

I 内核分配内存特点

内核使用的内存空间有限
内核不支持便捷的内存分配方式
处理内存分配错误难度大
内核分配机制不能太复杂

II 页

内核以物理页为单位分配内存
物理页的大小取决于体系结构
page 结构体（定义于 <linux/mm_types.h>）

struct page{
  unsigned long flags; //存放页的状态
  atomic_t _count; //存放页的引用计数
  atomic_t _mapcount;
  unsigned long private;
  struct address_space *mapping;
  pgoff_t index;
  struct list_head lru;
  void *virtual; //页的虚拟地址
}

0x05 Linux 内存区

由于硬件的限制，内核并不能对所有的页一样看待，内核需要对页进行分类，分不同区域

Linux 必需处理 2 种由于硬件存在缺陷而引起的内存寻址问题：
- 一些硬件只能用某些特定的内存地址来执行DMA（Direct Memory Access）
- 一些体系结构的内存的物理寻址范围比虚拟内存大得多，导致一些内存不能总是映射到内核空间
Linux 主要使用了 4 种区：
- ZONE_DMA：该区页面用来执行 DMA
- ZONE_DMA32：用于 32 位设备执行 DMA
- ZONE_NORMAL：该区页面都能正常映射
- ZONE_HIGHEM：该区包含“高端内存”，这里的页不能永久映射到内核空间

0x06 内存管理提供的服务

I 获得页

alloc_pages()
page_address(struct page* page)
__get_free_pages()
alloc_page()
__get_free_page()

II 获得填充为 0 的页

get_zeroed_page()

III 释放页

__free_pages()
free_pages()
free_page()

IV kmalloc()

用于获得以字节为单位的一块连续内存空间：

1	void *kmalloc (size_t size, gfp_t flags)

V kfree()

该函数用于释放 kmalloc() 分配出的内存块：

1	void kfree(const void *ptr)

VI vmalloc()

类似 kmalloc(), 但分配的内存空间不连续，释放使用 vfree()

VII slab 层

即 slab 分配器，它扮演了通用数据结构缓存层的角色，是一种缓存机制

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读薄《Linux 内核设计与实现》(5) - 定时器、时间管理和内存管理