Linux 的实时性：它并不像你想象的那么可靠！

如果你从事任何需要定期执行任务的工作，那么不可避免地，时间将发挥作用。例如，你可能每天早上 7 点吃早餐，晚上 10 点睡觉（当然，如果你有伴侣，晚上的时间可能不那么固定）。

计算机在时间控制方面比人类感觉要精确得多。这种精度对于确保任务按时完成至关重要。但是，当涉及到实时性时——即系统对时间事件做出快速、可靠响应的能力——Linux 可能不像你想象的那么可靠。

Linux 内核中的时间管理

为了理解 Linux 的实时性，我们需要深入了解 Linux 内核中时间管理的工作原理。

Linux 内核使用时钟中断来跟踪时间。这些中断由硬件时钟生成，通常每隔几毫秒就会触发一次。每次发生中断时，内核都会更新其内部时钟，称为 jiffies。

jiffies 是一个 32 位无符号整数，表示自系统启动以来经过的节拍数。节拍的长度因硬件而异，但通常为 1 毫秒。

除了 jiffies 之外，内核还维护一个称为 timekeeper 的结构。timekeeper 包含有关系统当前时间的各种信息，包括：

• 秒自 1970 年 1 月 1 日以来的秒数
• 微妙自上一秒开始的微秒数

Linux 实时性的局限性

虽然 Linux 内核提供了管理时间的机制，但它有一些固有的限制，可能会影响其实时性：

• 时钟中断延迟： 时钟中断可能会因其他内核活动而延迟。这可能会导致 jiffies 的不准确，从而导致任务执行时间不确定。
• Linux 时钟粒度： jiffies 的粒度通常为 1 毫秒。对于某些需要更高精度的应用来说，这可能不够。
• 定时器调度： Linux 使用红黑树来管理定时器。当需要运行定时器时，内核会搜索树以找到最早到期的定时器。这个搜索过程可能会很耗时，尤其是在有大量定时器的情况下。

克服 Linux 实时性挑战

如果你需要在 Linux 上运行关键任务应用程序，那么克服这些实时性挑战至关重要。以下是一些替代方案：

• 实时内核： 有许多实时 Linux 内核可用，例如 RTLinux 和 Xenomai。这些内核经过专门设计，具有更低的时钟中断延迟和更精细的定时器调度。
• 硬件定时器： 如果你需要非常高的精度，可以使用硬件定时器。这些定时器独立于内核时钟，可以提供亚毫秒级的精度。
• 用户空间调度： 在用户空间实现自己的调度程序可以让你获得对定时器管理的完全控制。这可以最大限度地减少延迟并提高实时性。

结论

虽然 Linux 通常是一个出色的操作系统，但它在实时性方面存在一些固有的限制。了解这些限制至关重要，以便在关键任务应用程序中做出明智的决定。通过使用实时内核、硬件定时器或用户空间调度，你可以克服这些挑战并确保任务按时可靠地执行。