【操作系统百科】时钟源

gettimeofday() 每次调用返回当前时间——底层读的是什么硬件？TSC 够稳吗？为什么 vDSO 能不进内核就读时间？

一、先看图

flowchart TD
    APP[gettimeofday / clock_gettime] --> VDSO[vDSO<br/>用户态读取]
    VDSO --> SEQCOUNT[seqcount_latch<br/>读 timekeeper]
    SEQCOUNT --> CSRC[clocksource<br/>read 硬件计数器]

    subgraph 硬件时钟
        TSC[TSC<br/>rating: 300]
        HPET[HPET<br/>rating: 250]
        ACPI[ACPI PM<br/>rating: 200]
        ARM_GT[ARM Generic Timer<br/>rating: 400]
    end

    CSRC --> TSC
    CSRC --> HPET
    CSRC --> ACPI
    CSRC --> ARM_GT

    classDef user fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    classDef hw fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    class APP,VDSO,SEQCOUNT user
    class TSC,HPET,ACPI,ARM_GT,CSRC hw

二、clocksource 框架

struct clocksource {
    u64 (*read)(struct clocksource *cs);
    u32 rating;       // 越高越好
    const char *name;
    // ...
};

内核选择 rating 最高的可用 clocksource。

2.1 常见 clocksource

cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/available_clocksource
cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource

三、TSC 的稳定性

3.1 Invariant TSC

现代 CPU（Sandy Bridge+）标记 constant_tsc + nonstop_tsc：

• 频率不随 P-state 变化
• 深度 C-state 不停止

3.2 Unstable TSC

旧 CPU 或某些虚拟化环境 → TSC 不稳定 → 内核 watchdog 检测到后降级到 HPET/ACPI PM。

clocksource: Marking clocksource 'tsc' as unstable because the skew is too large

3.3 TSC 同步

多 socket 系统 → 各 socket TSC 可能不同步 → 内核检查 TSC 偏差。

四、clockevents

clocksource 是读时间；clockevents 是编程定时器。

struct clock_event_device {
    void (*event_handler)(struct clock_event_device *);
    int (*set_next_event)(unsigned long, struct clock_event_device *);
    enum clock_event_state state_use_accessors;
    // ...
};

hrtimer 用 clockevents 编程下一个到期中断。

五、vDSO

Virtual Dynamic Shared Object：内核把一小段代码和数据映射到每个进程地址空间。

clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC) → 不进内核 → vDSO 读 seqcount + TSC → 返回。

# 查看 vDSO
ldd /bin/ls | grep vdso
# linux-vdso.so.1

5.1 性能

10 倍差距。

六、PTP/PHC

精确时间协议（Precision Time Protocol）：

# 硬件时间戳
ethtool -T eth0 | grep -i ptp
# 配置 ptp4l
ptp4l -i eth0 -m

PHC（PTP Hardware Clock）提供独立的硬件时钟 → 纳秒级网络时间同步。

七、time namespace（5.6+）

容器可以有独立的时间偏移：

unshare(CLONE_NEWTIME);
// 修改 /proc/self/timens_offsets

用途：容器迁移时保持时间连续性。

八、Watchdog

内核定期用次优 clocksource 校验主 clocksource：

clocksource: timekeeping watchdog on CPU0

偏差过大 → 标记为 unstable → 切换。

九、观察

# 当前时钟源
cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource

# TSC 特性
grep -E "constant_tsc|nonstop_tsc" /proc/cpuinfo

# clockevents
cat /sys/devices/system/clockevents/clockevent0/current_device

# vDSO 性能
perf stat -e 'syscalls:sys_enter_clock_gettime' -- ./benchmark

十、小结

• clocksource 按 rating 选最佳；TSC 是 x86 首选
• TSC 需要 invariant + nonstop 才可靠
• vDSO 让 gettimeofday 零 syscall → 20ns
• PTP/PHC 提供硬件纳秒同步
• clockevents 编程硬件定时器中断

参考文献

• kernel/time/clocksource.c
• arch/x86/kernel/tsc.c
• Documentation/timers/
• 分布式百科-06-physical-clocks（交叉引用）

工具

• /sys/devices/system/clocksource/
• ethtool -T
• ptp4l / phc2sys
• perf

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