1. 操作系统的时间系统

应用程序部署在操作系统上，定时任务依赖操作系统的时钟。大部分 PC 机中有两个时钟源，他们分别叫做 RTC（Real Time Clock，实时时钟） 和 OS（操作系统）时钟。

RTC

RTC（Real Time Clock，实时时钟）也叫做 CMOS 时钟，它是 PC 主机板上的一块芯片（或者叫做时钟电路），它靠电池供电，即使系统断电也可以维持日期和时间。

由于独立于操作系统所以也被称为硬件时钟，它为整个计算机提供一个计时标准，是最原始最底层的时钟数据。

OS 时钟

OS 时钟产生于 PC 主板上的定时/计数芯片（8253/8254），由操作系统控制这个芯片的工作，OS 时钟的基本单位就是该芯片的计数周期。

在开机时操作系统取得 RTC 中的时间数据来初始化 OS 时钟，然后通过计数芯片的向下计数形成了 OS 时钟，所以 OS 时钟并不是本质意义上的时钟，它更应该被称为一个计数器。

OS 时钟只在开机时才有效，而且完全由操作系统控制，所以也被称为软时钟或系统时钟。

时钟中断

Linux 的 OS 时钟的物理产生原因是可编程定时/计数器产生的输出脉冲，这个脉冲送入 CPU，就可以引发一个中断请求信号，我们就把它叫做时钟中断。

Linux 中用全局变量 jiffies 表示系统自启动以来的时钟滴答数目。每个时钟滴答，时钟中断得到执行。

时钟中断执行的频率很高：100 次/秒（Linux 设计者将一个时钟滴答（tick）定义为 10ms），时钟中断的主要工作是处理和时间有关的所有信息、决定是否执行调度程序。

和时间有关的所有信息包括系统时间、进程的时间片、延时、使用 CPU 的时间、各种定时器，进程更新后的时间片为进程调度提供依据，然后在时钟中断返回时决定是否要执行调度程序。

在单处理器系统中，每个 tick 只发生一次时钟中断。在对应的中断处理程序中完成更新系统时间、统计、定时器、等全部功能。

而在多处理器系统下，时钟中断实际上是分成两个部分：

• 全局时钟中断，系统中每个 tick 只发生一次。对应的中断处理程序用于更新系统时间和统计系统负载。
• 本地时钟中断，系统中每个 tick 在每个 CPU 上发生一次。对应的中断处理程序用于统计对应 CPU 和运行于该CPU上的进程的时间，以及触发对应 CPU 上的定时器。

于是，在多处理器系统下，每个 tick，每个 CPU 要处理一次本地时钟中断；另外，其中一个 CPU 还要处理一次全局时钟中断。

时钟中断的应用

更新系统时间：在 Linux 内核中，全局变量 jiffies_64 用于记录系统启动以来所经历的 tick 数。

每次进入时钟中断处理程序（多处理器系统下对应的是全局时钟中断）都会更新 jiffies_64 的值，正常情况下，每次总是给 jiffies_64 加 1。

而时钟中断存在丢失的可能。内核中的某些临界区是不能被中断的，所以进入临界区前需要屏蔽中断。

当中断屏蔽取消的时候，硬件只能告诉内核是否曾经发生了时钟中断、却不知道已经发生过多少次。

于是，在极端情况下，中断屏蔽时间可能超过 1 个 tick，从而导致时钟中断丢失。

如果计算机上的时钟振荡器有很高的精度，Linux 内核可以读振荡器中的计数器，通过比较上一次读的值与当前值，以确定中断是否丢失；如果发现中断丢失，则本次中断处理程序会给 jiffies_64 增加相应的计数。

但是如果振荡器硬件不允许（不提供计数器、或者计数器不允许读、或者精度不够），内核也没法知道时钟中断是否丢失了。

内核中的全局变量 xtime 用于记录当前时间（自 1970-01-01 起经历的秒数、本秒中经历的纳秒数）。xtime 的初始值就是内核启动时从 RTC 读出的。

在时钟中断处理程序更新 jiffies_64 的值后，便更新 xtime 的值。通过比较 jiffies_64 的当前值与上一次的值（上面说到，差值可能大于 1），决定 xtime 应该更新多少。

系统调用 gettimeofday（对应库函数 time 和 gettimeofday）就是用来读 xtime 变量的，从而让用户程序获取系统时间。

实现定时器：既然已知每个 tick 是 10ms，用 tick 来做定时任务统计再好不过。无论是内核还是应用系统其实都有大量的定时任务需求，这些定时任务类型不一，但是都是依赖于 tick。