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Clock / Timer
2015/12/15
0x64 Tales
#03 OS Kernel
Livesense Inc.
HORINOUCHI Masato

Linux Kernel Clock
大別すると以下の 2つに分けられる。
? Hardware Clock
? その名の通りハードウェア上にある Clock デバイス。
? System Clock
? Linux Kernel 内部にある Clock で揮発性。

Linux時刻管理の仕組みと設定から引用

HW Clock
? Real&me Clock (RTC), BIOS Clock, CMOS Clock と呼ばれる。
? 一般的にはバッテリーバックアップが行なわれる。
? 電源が切れていてもバッテリーやコンデンサーにより駆動。
? &mezone を意識しない。UTC か local&me かわからない。
? Windows 環境は local&me として、Linux 環境は UTC として
動作するため、JST-9 環境だと 9時間のズレが発生する。

System Clock
? Linux Kernel 内部のメモリーで保持している。なので揮発性。
? 2つのデータを持っている。
? x-me: UNIX Epoch (1970/01/01 00:00:00 UTC) からの秒数
? ji?es: 現在秒からの経過ナノ秒数
? UTC で動作する。

Interval Timer
? ハードウェアにより割り込みを発生させるデバイス。
? 割り込み発生する度に ji?es を増やしていく。
? 一般的な Linux Kernel では 1,000Hz (1ms) 毎に割り込み発
生。
? ji?es の増加分を x7me に反映していく。

HW Clock にアクセス
? hwclock というツールでアクセスできる。
? hwclock は /etc/adj/me をみて UTC か local/me かを判別。
$ sudo hwclock --show --localtime
2015年12月15日 08時04分42秒 .785058 seconds
$ cat /etc/adjtime
0.000000 1450089054 0.000000
1450089054
UTC

HW Clock と System Clock の関係
? SysVinit (Upstart) の場合
? Ubuntu では /etc/init.d/hwclock.sh で OS 起動/終了
時に同期。
? CentOS 6 では /etc/rc.d/init.d/halt で OS 終了時に
同期。
? 起動時はどうしているのかちょっと調べたけど不明…。

Systemd で RTC にアクセス
? "medatectl というツールでアクセスできる。
$ timedatectl
Local time: 火 2015-12-15 17:06:22 JST
Universal time: 火 2015-12-15 08:06:22 UTC
RTC time: 火 2015-12-15 08:06:20
Time zone: Asia/Tokyo (JST, +0900)
Network time on: yes
NTP synchronized: yes
RTC in local TZ: no

Raspberry Pi
? 実は RTC を搭載していない。
? けど自作する猛者。
? RaspberryPiにRTCモジュールを搭載して、ハードウェア起動
時に時刻を合わせる

Tickless Kernel
? ハードウェアにより CPU に割り込み発生させると電力消費に懸
念。
? 時間の更新を定期的な割り込みではなく Clock Source を参照す
ることに。
? これにより CPU が省電力モードでいられる時間を長くする
ことが可能に。

Clock Source
主に以下のものがある。上にある方がアクセスコストが低い。
? kvm-clock
? Time Stamp Counter (TSC)
? High Precision Event Timer (HPET)
? ACPI Power Management Timer (ACPI_PM)
? Programmable Interval Timer (PIT)
? Real Time Clock (RTC)

RHEL6の&ckless kernel から引用

Clock Source を調べる
? VirtualBox 5.0.10 (準仮想化インターフェース KVM)
? Ubuntu 15.10 64bit + Guest Add@ons
$ uname -a
Linux ubuntu 4.2.0-19-generic #23-Ubuntu SMP Wed Nov 11 11:39:30 UTC 2015 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
$ cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/available_clocksource
kvm-clock tsc acpi_pm
$ cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource
kvm-clock

Clock Source の速度を計測
元コード1
を改変して 10,000,000 回実行。
#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
struct timeval tv;
for (int i=0; i<10000000; i++) {
int r = gettimeofday(&tv, 0);
if (r < 0) {
perror("gettimeofday");
return 1;
}
}
return 0;
}
1
VirtualBox 5 で利用可能になった Paravirtualiza1on 機能 kvmclock を使うから引用。

計測してみる
こんな shell script にしてみた。
#! /bin/zsh
# kvm-clock
sudo sh -c "echo kvm-clock > /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource"
cat /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource
time ./t
# tsc
sudo sh -c "echo tsc > /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource"
time ./t
# acpi_pm
sudo sh -c "echo acpi_pm > /sys/devices/system/clocksource/clocksource0/current_clocksource"
time ./t

Clock Source 考察
? kvm-clock より TSC の方が 2倍ほど速い。
? が、VM だと TSC の値が怪しいケースも多そう。
? なので素直に kvm-clock を使うのが良さそう。
? acpi_pm は数十倍(30～70倍)遅い。
? しかもシステムコールしまくり system 時間使いまくり。

まとめ
? Linux Kernel の Clock / Timer 周りは歴史的経緯により複雑。
? Clock / Timer の解像度や精度は上がっている。
? 以前は VM だと Clock ズレまくったものだが、この辺も解決し
てきている。
? とはいえ結局は Guest OS で ntp 使うのが良い模様 → KVM
においてホストとゲストの時間管理はNTPを用いるべきか？

ご清聴ありがとうございました

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