OS近距离：Linux的时间，可能并不像你想的那么可靠！

如果你想周期性的做一些事情，那么必然，会与时间产生联系。比如，每天早晨7点吃早餐，每天晚上10点进入梦乡。当然，如果你有伴侣的话，晚上这个时间可能不会这么固定。

计算机对时间的控制比人的感觉更加准确一些，但我们依然难以做到绝对精确的调度，这涉及到了终极的哲学问题。了解问题产生的原因，比问题本身的现象更加有难度，下面我们就来聊一下这个问题。

假设，我有一个任务，要求每60秒执行一次，你要如何设计?

很多Javaer会自然的想到Timer和ScheduledExecutorService，不过，这也只能说明你了解一些API而已，在绝对精度的调度面前，它们都不能满足需求。

一个例子

下面这段代码，将开启一个5秒间隔的执行器，然后记录实际的间隔时间和期望的偏移量。

public class Main {
    private static ScheduledExecutorService schedule = Executors.newScheduledThreadPool(1);
    private static LinkedBlockingDeque<Long> q = new LinkedBlockingDeque<>();

    public static void main(String[] args) {
        final long rateNano = TimeUnit.SECONDS.toNanos(5);
        final Random r = new Random();
        final AtomicLong offset = new AtomicLong(0);
        final AtomicLong max = new AtomicLong(0);
        schedule.scheduleAtFixedRate(()->{
            try {
                long eventTime = System.nanoTime();
                long nanoOffset = q.size() == 0 ?  rateNano : (eventTime - q.pollLast());
                offset.addAndGet(nanoOffset);
                offset.addAndGet(-rateNano);
                max.set(Math.max(max.get(), Math.abs(offset.get())));
                System.out.println(TimeUnit.NANOSECONDS.toSeconds(eventTime)+ "(s) #"
                        + nanoOffset + "(us),"
                        + offset.get() + "(us),"
                        + max.get() + "(us)"
                );
                q.offer(eventTime);
                Thread.sleep(r.nextInt(500));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 0, rateNano, TimeUnit.NANOSECONDS);
    }
}

我们把时间细分一下，然后打印每个间隔之间的秒数和纳秒数，你将发现一些不同寻常的东西。

978048(s) #4996295958(us),-688459(us),57185541(us)
978053(s) #5002982917(us),2294458(us),57185541(us)
978058(s) #5000489208(us),2783666(us),57185541(us)
978063(s) #4997937167(us),720833(us),57185541(us)
978068(s) #5002287042(us),3007875(us),57185541(us)
978073(s) #4999411375(us),2419250(us),57185541(us)

可以看到，秒数是以5秒5秒的速度增长，但实际的执行时间，如果放大到纳秒，它表现出很没有规律的分布。

为了得到较为可信的数据，实际上，我把这个任务跑了1天，到最后，整个偏移量最大达了57ms。

先不谈Java线程的调度，在操作系统上有误差。就拿操作系统本身来说，由于有虚拟内存、线程池、各种驱动的存在，我们常用的Windows和Linux，都不是实时操作系统。

其主要等待方法，就是在DelayedWorkQueue的take方法里，使用了ConditionObject的awaitNanos方法。

再往下找的话，那就是LockSupport的parkNanos方法。继续向下跟，那就是unsafe，本质上是一个native函数。

public native void park(boolean isAbsolute, long time);

第一个参数是是否是绝对时间，第二个参数是等待时间值。如果isAbsolute是true则会实现毫秒定时。如果isAbsolute是false则会实现纳秒定时。纳秒，可以说是精度很高了。

在jdk源码中，我们找到了具体的native函数。就拿linux来说，文件就躺在./os/posix/os_posix.cpp，最终就是调用pthread_cond_timedwait。

所有的编程都是面向glibc编程，没跑了。

pthread_cond_timedwait

一般来说，平台会提供sleep、pthread_cond_wait、pthread_cond_timedwait等函数供用户使用，实现线程的等待和唤醒。

其中pthread_cond_timedwait就是使用最广泛的那一枚。通过使用perf记录堆栈调用，我们可以看到大体的函数调用栈。

javac Main
java Main
ps -ef| grep java
perf record -g -a  -p 2019961
perf report

对于了解Linux内部运行原理的同学来说，通过上面的函数调用，就可以看出这里主要是使用了Linux的futex机制，而futex的两个主要方法就是futex_wait和futex_wake。

我们先不管这些乱七八糟的同步术语和函数的版本差异，在kernel/futex/waitwake.c (Linux-5.16.12)中，我们能够看到相关的函数调用。

所谓的等待计数器，就是在下面这段代码中设置的。

struct hrtimer_sleeper *
futex_setup_timer(ktime_t *time, struct hrtimer_sleeper *timeout,
    int flags, u64 range_ns)
{
 if (!time)
  return NULL;

 hrtimer_init_sleeper_on_stack(timeout, (flags & FLAGS_CLOCKRT) ?
          CLOCK_REALTIME : CLOCK_MONOTONIC,
          HRTIMER_MODE_ABS);
 /*
  * If range_ns is 0, calling hrtimer_set_expires_range_ns() is
  * effectively the same as calling hrtimer_set_expires().
  */
 hrtimer_set_expires_range_ns(&timeout->timer, *time, range_ns);

 return timeout;
}

时间轮

所以问题终于聚焦到我们本文的主题上了。

hrtimers，是Linux下一个高分辨率的定时器。hrtimer结构(也就是上面代码的&timeout->timer)，其中有一个function参数，会接受一个回调函数，在定时器触发时，将会被调用。

在聊高分辨率的定时器之前，得首先聊一下低分辨率的定时器。在早期的Linux版本中，定时器是基于CPU的HZ来实现的，也就是tick周期。

很明显的，这个tick的周期的最小值，就是1/CPU主频。不过现在的CPU主频都是GHz来算了，所以精度相对来说还不错，能达到纳秒级别。

1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz

一个jiffy = 1/HZ

低分辨率的定时器，还有一个非常著名的时间轮算法，将定时任务散列在长度有限的环形数组中。然后，在此基础上再参考日常生活中水表的方式，通过低刻度走得快的轮子带动高一级刻度轮子走动的方法，像齿轮一样带动更高级别的齿轮，这样就可以避免轮子过大的问题。

其实这个也很好理解。假如我们把1天的时间，每一秒都刻在钟表上，需要86400个刻度。但其实，我们的钟表只需要60个刻度就能完成一天的循环。

Linux的定时器，将时间轮分为了9层，可以说精度很高了。

#define WHEEL_SIZE (LVL_SIZE * LVL_DEPTH)

/* Level depth */
#if HZ > 100
# define LVL_DEPTH 9
# else
# define LVL_DEPTH 8
#endif

这些细节很多，我们抽另外的文章讲解，别忘了关注xjjdog。

hrtimer

相比较低精度(也不算低了)的时间轮设计，hrtimer又做了哪些，才称之为高精度呢?

组织hrtimer的，其实是一棵红黑树(timerqueue_node)，这是在比较了hash、跳表、堆等数据结构基础上的最终选择。高精度的代码几乎全是重写的，大多数能够实现O(1)时间复杂度的操作。

高精度定时器的主要任务，不是实现时间片上的精度，而是在执行增删改查的时候，能够提供稳定、快速的功能。即使是排序，也应该尽量的减少时间耗费，因为调度代码执行时间的不稳定，同样会影响整个调度系统的稳定性。

timerqueue_head结构在红黑树的基础上，增加了一个next字段，用于保存树中最先到期的定时器节点，算是对红黑树小小的改造。这些改造在效率上都是立竿见影的，效果就像B+ Tree对B Tree的改造一样。

从下面这些结构体，可以大体看出红黑树的组织方式。

struct timerqueue_node {
 struct rb_node node;
 ktime_t expires;
};

struct timerqueue_head {
 struct rb_root_cached rb_root;
};

struct rb_root_cached {
 struct rb_root rb_root;
 struct rb_node *rb_leftmost;
};

struct rb_node {
 unsigned long  __rb_parent_color;
 struct rb_node *rb_right;
 struct rb_node *rb_left;
} __attribute__((aligned(sizeof(long))));

我们再来看一下hrtimer的结构体，发现里面有一个_softexpires，同时，它的成员变量node里，也有一个叫做expires的变量。

struct hrtimer {
 struct timerqueue_node  node;
 ktime_t    _softexpires;
 enum hrtimer_restart  (*function)(struct hrtimer *);
 struct hrtimer_clock_base *base;
 u8    state;
 u8    is_rel;
 u8    is_soft;
 u8    is_hard;
};

这是hrtimer为了增加调度的效率所做的一些妥协。它表示，我们的任务，可以在_softexpires和expires之间的任何时刻到期。expires被称作硬到期时间，是任务到期的最后时间。有了这样的设计，就可以避免进程被hrtimer频繁的唤醒，减少contextswitch。

我们可以从perf得到的hrtimer_set_expires_range_ns函数中窥探到这两个时间点的设定。这本质上也是一种对时间齐功能。

static inline void hrtimer_set_expires_range_ns(struct hrtimer *timer, ktime_t time, u64 delta)
{
 timer->_softexpires = time;
 timer->node.expires = ktime_add_safe(time, ns_to_ktime(delta));
}

delta的设定非常有意思，在不同的硬件设备上，它的值都不同，表示最小的调度精度。这也是我们最上面的Java程序，在执行的时候，引起时间抖动的根本原因。

End

聊到这里，我想你应该能够想到，世界上根本就没有准确的调度。只不过随着主频的增加，我们可以将精度控制在一定范围内。

且不说时间本身准不准，仅仅是这时间片的细分，就使得目前的PC机，在微观世界上的时间误差将变的无比巨大，进行高频率的的精度调度几乎是不可能完成的事。

世界上最准的钟表，每150亿年才会减少一秒。但1秒也是时间，我们依然能够用语言表达出来。纠结准实时性是一个永远没有尽头的答案，除非我们能够操纵原子。再加上任务调度代码本身耗时的不确定性，目前的调度器维持在纳秒精度，已经算是一个奇迹。

世界本身就是人粗略的观测，何况是人所造出的机器呢。

作者简介：小姐姐味道 (xjjdog)，一个不允许程序员走弯路的公众号。聚焦基础架构和Linux。十年架构，日百亿流量，与你探讨高并发世界，给你不一样的味道。我的个人微信xjjdog0，欢迎添加好友，进一步交流。