jiffies的回绕问题及解决方案

Posted 2022-11-30 xingjiarong

一、什么是jiffies

全局变量jiffies用来记录自启动以来产生的节拍的总数。系统启动时会将该变量初始化为0，此后，每当时钟中断产生时就会增加该变量的值。jiffies和另外一个变量息息相关：HZ。HZ是每秒系统产生的时钟中断次数，所以jiffies每秒增加的值也就是HZ。

jiffies定义于

extern unsigned long volatile jiffies;

从上面的代码中我们可以看出，jiffies被声明为无符号的长整形，在32位的机器上能用的最大值是2^32-1，在64位的机器上能用的最大值就是2^64-1。

二、jiffies回绕问题

首先，我们来看一下什么是回绕。正如我们所说，jiffies有自己的最大值，我们假设机器是32位的，此时jiffies为2^32-1，那么按照理想情况下一次加1后jiffies的值应该是2^32，但是学过C语言或者是C++语言的同学都知道，如果一个数加到了它的最大值，在增加时就会回到最小值，这就是回绕。

根据HZ与jiffies的关系，在32位的机器上，如果系统的HZ值为100的情况下，jiffies的回绕时间大约为500天左右，如果HZ为1000，那么回绕时间将只有50天左右。

当发生回绕时，会使原来正常的程序产生不正常的结果，例如下面的例子。

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

/*执行一些任务*/
........
/*然后检查时间是否过长*/
if(timeout>jiffies)
  /*没有超时...*/
else
  /*超时了....*/

使用timeout来检测程序的执行是否超时，timeout被设为jiffies加上0.5秒，程序执行一些步骤后检测timeout和jiffies的大小，如果timeout大于jiffies，说明上面这些步骤是在0.5秒内完成的。但是当jiffies出现回环时，上面的检测就会出现问题，因为jiffies回环后会变成一个非常小的数，所以timeout肯定会大于jiffies，但是程序却可能会执行超过0.5秒。

三、如何解决回绕问题

为了解决回绕问题，linux中定义了以下四个的比较函数，其中unknown参数一般为jiffies，know参数为要比较的对象，例如上文中timeout。

#define time_after(unknown,known) ((long)(known) - (long)(unknown)<0)
#define time_before(unkonwn,known) ((long)(unknown) - (long)(known)<0)
#define time_after_eq(unknown,known) ((long)(unknown) - (long)(known)>=0)
#define time_before_eq(unknown,known) ((long)(known) -(long)(unknown)>=0)

这四个宏仅仅是将jiffies和要比较的数值从unsigned long变为了long为什么就能避免回绕了呢。

为了便于说明，我们假设jiffies是单字节的无符号数，范围为0~255。假如jiffies开始为250，由于是无符号数据，那么它在机器中实际存储的补码为11111010，记为J1；timeout如果被设为252，实际存储为11111100；而过了一会jiffies发生回绕编变成了1，实际存储变为00000001，记为J2。 那么此时如果按照无符号数比较其大小关系，有： J1<timeout & J2 <timeout，这样的结果与实际的时间节拍统计是不符的，但是如果我们按照有符号数来比较会有什么结果呢？
J1如果按照有符号数读取，首先从补码转换成原码：10000110，转换成十进制为－6；
timeout按照有符号数读取，首先从补码转换成原码：10000100，转换成十进制为－4；
J2按照有符号数读取，首先从补码转换成原码：00000001，转换成十进制为1；
这样它们的大小关系为：J1<timeout<J2 。 这与实际的节拍计数就吻合了，以上内核定义的几个宏就是通过这种方式巧妙解决jiffies回绕问题的。