Timekeeping in VMware Virtual Machines を読み解く (2)

linux memo

高精度タイマによる補正

前回はちょっと簡略して書きました。VMware にも関連のあることなので，ほとんど推測に基づくものですが，少し詳しく書きます。

Linux のシステム時刻（時計）において秒針*1を進めるのは，PIT による割り込みです。ただ，割り込みだけに取りこぼしが発生するかもしれませんし，間隔が正確とも限りません。また，割り込み間隔以上の精度の時刻を得ることもできません。ですから，利用可能であればより高精度のタイマを補正に用います。

時刻間隔の「補完」についてはおおむね予想がつくので省略し，「補正」について考えます。

たとえば PIT を1/100秒間隔に設定したとします（HZ=100）。このとき1秒間に100回の割り込みが発生します。しかしシステム（カーネル）が非常に忙しくて80回しか割り込み処理ルーチンを呼び出せないとすると，実時間1秒の間にシステム時計は0.8秒しかすすまないことになります（時刻の遅延）。

もし他にもう1個ストップウォッチがあったとしたらどうでしょう（高精度タイマの存在）。システム時間1秒後にその alternative なストップウォッチを見て，「PIT によると1秒しか進んでないけど実際には1.25秒すすんどるやんけ。lost ticks や。時計をちょっとすすめとかな。」とより正確な時刻にすることができます（時刻の補正）。

一般にはこの高精度タイマ（ACPI Timer や TSC 等）による補正は良い方向にはたらきます。ただ，kernel 2.6.17 以前ではこの補正がいきすぎてしまい，時刻が実時間より速くすすんでしまう場合もあるようです（時刻の過剰補正→【Clock in a Linux Guest Runs More Slowly or Quickly Than Real Time】参照）。

時刻の設定メカニズム

この項は原典とは関係ありませんが後々触れるかもしれないので，一応説明します。

Linux においてシステム時刻を設定するメカニズムには次の4つがあげられます。厳密にメカニズムというと後者2つだけですが。

  1. 恒常的な時刻調整
  2. adjtime(3) による漸次的（遅効的）な時刻設定
  3. （以上の基盤となる）adjtimex(2) による高度な時刻調整
  4. settimeofday(2) による過渡的（速攻的）な時刻設定

まず4についてですが，「今12:00にしてね」とシステムに伝えると，その時点でシステム時計を 12:00 にセットする，という一番単純な仕組みです。次に BSD 互換 API である2の adjtime(3) ですが，これは指定した時刻と現在の時刻がずれていた場合，ちょっとずつ補正していくというものです。たとえば，現在12:00のシステム時計を12:01に設定しようとした場合，実時間上1秒ごとに秒針を2秒ずつ進めると，実時間1分後には実時刻・システム時刻ともに12:02になります。逆に12:01のシステム時計を12:00に設定しようとした場合，実時間1秒ごとに秒針を0.5秒ずつすすめればよいことになります（この方式をとると，システム時計を「逆行」させる必要がありません）。NTP デーモンである ntpd ではこの4と2の両者を利用して無理なく時刻を合わせようとします（参考→【http://www.oracle.co.jp/2shin/ora66/18.html】）。

1の「恒常的な時刻調整」ですが，例えば1日に必ず5分遅れるとわかっている時計（割り込み）があれば，秒針の進め方を0.35%ほど早めておけば正確な時刻が刻める，という考えに基づくものです。VMware とはあまり関係ないので深入りしませんが，ntp 等のない環境でできるだけ時刻を正確に保つ方法としてはhttp://kinsan.main.jp/wiki/wiki.cgi?page=Linux%A4%C7%BB%FE%B7%D7%A4%CE%B9%E7%A4%EF%A4%BB%CA%FDが参考になります。

3の adjtimex(2) というものは（おそらく）1と2を担うための Linux 独自のシステムコールです。省略します。

以上の仕組みについては http://www.linux.or.jp/JF/JFdocs/Clock/ も参照してみてください。



なかなか本題に入れませんね……

*1:実際には秒以下の単位であり，tick と呼びます