Linuxの2038年問題の現状調査の第一弾

1. Research for y2038

2. はじめに
• 2038年問題がそろそろ気になる時期になってきたので、調べ始めました
• Linux Kernelの状況とユーザランドの整合がとれないといけない部分なので、かなりの長丁
場です
• 今回は、カーネルの中を見てみました

3. Linuxの2038年問題に関係するコンポーネント
• 多くのOSS/ユーザプログラム
• 内部での時刻の取り扱いは、それぞれの実装に依存
• 各プログラミング言語の時刻機能を
• libcが提供するデータ型、システムコール、ライブラリを用い
て機能を実現する
• ローカルタイムのはglibcが扱う
• タイムゾーン設定に基づいて、GMT/UTCとローカルタイム
の相互変換を担当
• 時刻はLinux Kernel内部で管理されている
• MONOTONIC時刻を担当(Power ON起点の時刻)
• カレンダー時刻を担当(カーネルはGMT/UTCのみを扱う)
Linux Kernel
Libc (glibc)
Runtime library (ex. libstdc++)
Generic OSS

4. Linux Kernelの2038年問題
• UNIXの時刻表現が、1970年1月1日0時0分0秒を起点とした秒カウンタになっており、その
カウンタが符号つき32bitであることから生じる問題
• 符号つき32bitは2,147,483,647を超えた時点でがオーバーフローするため、2038年1月19日
3時14分7秒以降の時刻を表現できないことから、2038年問題と呼ばれる
• Linuxには、この秒カウンタのデータ型time_tが2種類存在する
• 32bitアーキテクチャでは符号つき32bit
• 64bitアーキテクチャでは符号つき64bit
• 一般に、time_tが符号つき64bitである64bitアーキテクチャでは、2038年問題が発生しない
と言われている
• 計算上は約3000億年まで対応できる

5. Linux Kernelの分析
• 2020年に、32bit環境の2038年問題対応の最後のパッチがメインラインにマージされた
• https://lkml.org/lkml/2020/1/29/355?anz=web
• この対応は5.4LTSにもマージされている
• いつからはじまったのか？
• 32bit環境の2038年問題は、3.17から開始された
• https://www.deepl.com/translator#en/ja/Year%202038%20preparations%20in%203.17
• これらの歴史を紐解いていく
• 分析するカーネルバージョン
Kernel Version Release Year
3.10 2013 32bit環境の2038年問題対応が始まる前のLTSカーネル
4.14 2017 5.4のふたつ前のLTSカーネル
4.19 2018 5.4のひとつ前のLTSカーネル(CIPのSLTSカーネルでもある)
5.4 2019 32bit環境の2038年問題対応が完了したとされるカーネル

6. Linux Kernelの分析-5.4の状況
• Linuxの時刻設定システムコール
• stime : 秒制度のUNIX time設定システムコール
• Kerne 5.4では、time_tをそのまま受け渡すstimeと後方互換性のためのstime32が用意されている
• kernel/time/time.c
• ただし、64bit time_tが使えるstimeは一部のアーキテクチャ以外では無効化されている
• settimeofday : 旧形式のシステムコールで、timeval (秒+マイクロ秒)で時刻設定を行う
• Kerne 5.4では、 time_tをそのまま受け渡す実装と後方互換性のためのCOMPAT実装が用意されている
• kernel/time/time.c
• clock_settime : 新形式のシステムコールで、timespec (秒＋ナノ秒)で時刻設定を行う
• Kerne 5.4では、 ユーザ空間とのやり取りを__kernel_timespecで行うため、32bit環境でも64bitの秒カウンタを使うこと
ができ、カーネル空間では2038年問題が発生しない
• kernel/time/posix-timers.c
• Linuxではtime_tがlong型なので、32bitでは4byte、64bitでは8byteで扱われる
• 5.4時点でのシステムコール実装は、stime, settimeofdayでは32bit環境で2038年問題を抱えており、
clock_settimeのみ対策されている

7. 時刻設定の仕組み調査
• 32bitのarmカーネルを対象にシステムコール拡張を分析
• 調査のカギとなるパッチは「y2038: add 64-bit time_t syscalls to all 32-bit architectures」と思われる
• https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/commit/?h=v5.4.94&id=48166e6ea47d23984f0b
481ca199250e1ce0730a
• このパッチでは、32bitアーキテクチャであるarm, m68k, x86などに対してシステムコールテーブルの追加が行われている
ので、これをもとに実装を追跡する
diff --git a/arch/arm/tools/syscall.tbl b/arch/arm/tools/syscall.tbl
index a96d9b5ee04e3..9016f4081bb9c 100644
--- a/arch/arm/tools/syscall.tbl
+++ b/arch/arm/tools/syscall.tbl
@@ -416,3 +416,24 @@
399 common io_pgetevents sys_io_pgetevents_time32
400 common migrate_pages sys_migrate_pages
401 common kexec_file_load sys_kexec_file_load
+# 402 is unused
+403 common clock_gettime64 sys_clock_gettime
+404 common clock_settime64 sys_clock_settime
+405 common clock_adjtime64 sys_clock_adjtime
+406 common clock_getres_time64 sys_clock_getres
+407 common clock_nanosleep_time64 sys_clock_nanosleep
+408 common timer_gettime64 sys_timer_gettime
+409 common timer_settime64 sys_timer_settime
+410 common timerfd_gettime64 sys_timerfd_gettime
+411 common timerfd_settime64 sys_timerfd_settime
+412 common utimensat_time64 sys_utimensat
+413 common pselect6_time64 sys_pselect6
+414 common ppoll_time64 sys_ppoll
+416 common io_pgetevents_time64 sys_io_pgetevents
+417 common recvmmsg_time64 sys_recvmmsg
+418 common mq_timedsend_time64 sys_mq_timedsend
+419 common mq_timedreceive_time64 sys_mq_timedreceive
+420 common semtimedop_time64 sys_semtimedop
+421 common rt_sigtimedwait_time64 sys_rt_sigtimedwait
+422 common futex_time64 sys_futex
+423 common sched_rr_get_interval_time64 sys_sched_rr_get_interval
事前調査の結果、32bit環境のシステムコール実装が2038
年問題を抱えているように見えたstime, settimeofdayは拡張
されていない。
32bit環境のシステムコール実装が2038年問題を解決してい
るように見えたclock_settimeに関しては、新しいシステムコー
ルであるclock_settime64とつながっている
他もあわせて計21種類の64bit time_tに対応したシステム
コールが用意されている

8. 時刻設定の仕組み調査
• 64bitと32bitのシステムコール呼び出しの違い
• 32bitの場合
• clock_settime (syscall num. 262)は、32bit time_tを使う
実装(sys_clock_settime32)を呼び出す
• 新しいclock_settime64(syscall num. 404)は、64bit
time_tを使う実装(sys_clock_settime)を呼び出す
• stimeとsettimeofdayは、どの実装も32bit time_tしか扱え
ないので、呼び出す関数に意味はない
• 廃止予定でないシステムコールのみ64bit time_t対応した
と考えられる
• 64bitの場合
• clock_settime/clock_settime64ともに、64bit time_tを使
う(sys_clock_settime)を呼び出す
• settimeofdayは、64bitユーザランドの場合は64bit time_t
を使う実装(sys_settimeofday)を、32bitユーザランドの場
合は32bit time_tを使う実装(compat_sys_settimeofday)
を呼び出す
• stimeは、既に廃止扱いになっているシステムコールだから
か、syscall numすら割り当てられていない
Syscall
num.
Syscall name Syscall impl.
25 stime sys_stime32
79 settimeofday sys_settimeofday
262 clock_settime sys_clock_settime32
404 clock_settime64 sys_clock_settime
Syscall
num.
Syscall name Syscall impl.
112 clock_settime sys_clock_settime
170(64) settimeofday sys_settimeofday
170(32) settimeofday compat_sys_settimeofday
404 clock_settime64 sys_clock_settime

9. 時刻設定の仕組み調査
• システムコール呼び出しから、実処理までを追跡
• カレンダー時刻は、最終的にはdo_settimeofday64を呼び出す
• do_settimeofday64まで、時刻はtimespec64/timespecで扱われる
do_settimeofday64
stime
stime32
do_sys_settimeofday64
settimeofday
settimeofday(compat)
posix_clock_realtime_set
clock_settime
clock_settime32

10. 時刻設定の仕組み調査
• 時刻設定システムコールは、最終的には
do_settimeofday64を呼び出す
• 名前が示す通り、この関数は64bitで時間を取り扱
う
int do_settimeofday64(const struct timespec64 *ts)
{
struct timekeeper *tk = &tk_core.timekeeper;
struct timespec64 ts_delta, xt;
unsigned long flags;
int ret = 0;
if (!timespec64_valid_settod(ts))
return -EINVAL;
raw_spin_lock_irqsave(&timekeeper_lock, flags);
write_seqcount_begin(&tk_core.seq);
timekeeping_forward_now(tk);
xt = tk_xtime(tk);
ts_delta.tv_sec = ts->tv_sec - xt.tv_sec;
ts_delta.tv_nsec = ts->tv_nsec - xt.tv_nsec;
if (timespec64_compare(&tk->wall_to_monotonic, &ts_delta) > 0) {
ret = -EINVAL;
goto out;
}
tk_set_wall_to_mono(tk, timespec64_sub(tk->wall_to_monotonic, ts_delta));
tk_set_xtime(tk, ts);
out:
timekeeping_update(tk, TK_CLEAR_NTP | TK_MIRROR | TK_CLOCK_WAS_SET);
write_seqcount_end(&tk_core.seq);
raw_spin_unlock_irqrestore(&timekeeper_lock, flags);
/* signal hrtimers about time change */
clock_was_set();
if (!ret)
audit_tk_injoffset(ts_delta);
return ret;
}
typedef __s64 time64_t;
struct timespec64 {
time64_t tv_sec; /* seconds */
long tv_nsec; /* nanoseconds */
};

11. 時刻設定の仕組み調査
• 時刻設定システムコールは、最終的には
do_settimeofday64を呼び出す
• 名前が示す通り、この関数は64bitで時間を取り扱
う
• timespec64の値をチェックする
timespec64_valid_settodで有効値であることを
確認している
• Linux内ではこれ以降㎱カウンタであるktime_tで
時刻を取り扱う
• UNIX timeは64bitでも符号付きなので、負値は
異常値
• 64bitの UNIX timeよりもktime_tが先にオーバーフ
ローするので、上限値を超えた場合は異常値とし
て扱う
• TIME_UPTIME_SEC_MAXの計算式を見ると、30
年連続動作を想定しているように見える
• 2038年問題の次に、ktime_tのオーバーフロー
問題が存在している
int do_settimeofday64(const struct timespec64 *ts)
{
struct timekeeper *tk = &tk_core.timekeeper;
struct timespec64 ts_delta, xt;
unsigned long flags;
int ret = 0;
if (!timespec64_valid_settod(ts))
return -EINVAL;
raw_spin_lock_irqsave(&timekeeper_lock, flags);
write_seqcount_begin(&tk_core.seq);
timekeeping_forward_now(tk);
xt = tk_xtime(tk);
ts_delta.tv_sec = ts->tv_sec - xt.tv_sec;
ts_delta.tv_nsec = ts->tv_nsec - xt.tv_nsec;
if (timespec64_compare(&tk->wall_to_monotonic, &ts_delta) > 0) {
ret = -EINVAL;
goto out;
}
tk_set_wall_to_mono(tk, timespec64_sub(tk->wall_to_monotonic, ts_delta));
tk_set_xtime(tk, ts);
out:
timekeeping_update(tk, TK_CLEAR_NTP | TK_MIRROR | TK_CLOCK_WAS_SET);
write_seqcount_end(&tk_core.seq);
raw_spin_unlock_irqrestore(&timekeeper_lock, flags);
/* signal hrtimers about time change */
clock_was_set();
if (!ret)
audit_tk_injoffset(ts_delta);
return ret;
}
static inline bool timespec64_valid_settod(const struct timespec64 *ts)
{
if (!timespec64_valid(ts))
return false;
/* Disallow values which cause overflow issues vs. CLOCK_REALTIME */
if ((unsigned long long)ts->tv_sec >= TIME_SETTOD_SEC_MAX)
return false;
return true;
}
#define TIME_SETTOD_SEC_MAX (KTIME_SEC_MAX - TIME_UPTIME_SEC_MAX)
#define KTIME_MAX ((s64)~((u64)1 << 63))
#define KTIME_SEC_MAX (KTIME_MAX / NSEC_PER_SEC)
#define TIME_UPTIME_SEC_MAX (30LL * 365 * 24 *3600)
static inline bool timespec64_valid(const struct timespec64 *ts)
{
/* Dates before 1970 are bogus */
if (ts->tv_sec < 0)
return false;
/* Can't have more nanoseconds then a second */
if ((unsigned long)ts->tv_nsec >= NSEC_PER_SEC)
return false;
return true;
}

12. ktime_t はどのくらいもつのか？
• ktime_t は64bitのnsカウンタ
• typedef s64 ktime_t; なので、符号つきなのはtime_tと同じ
• 1000 = 1024 = 2^10 で概算すると、64 – 10 – 10 – 10 = 34なので、34bitが秒に割り当たっている
• 32bitのtime_tで約68年もつので、4倍の約272年もつ
• 近似計算なので実際はもう少し持ちます
• 時刻設定で連続稼働時間30年に耐えられるように設定可能な上限値を下げているため、実際には約242
年もつ計算になる
• これらを総合すると、1970+242=2212年が限界値(近似計算による値)になる
• 補足
• armなど一部のアーキテクチャを除くと、32bitアーキテクチャでは計算の高速化を狙ってか64bitのktime_tを
32bitの秒カウンタと32bitのnsカウンタに分けているものがあった
• この場合はktime_tが2038年にオーバーフローしてしまう
• 32bit環境でも、一律64bitの符号つきnsカウンタに統一する変更も行われている

13. その他の状況
• 時刻取得関係はktime_tからtime_tに変換される
• 64bit環境では、ktime_tの上限がそのまま実装上の上限となる
• 32bit環境では、clock_gettimeを除いてtime_tの上限が上限となる
• タイムアウト関係も同様
• futexのタイムアウト設定は__kernel_timespecを使っているため、カーネル空間では2038年問題は発生しな
い

14. LTSカーネルの状況
• 32bit環境で、2038年問題に部分的にでも対応するためには、 __kernel_timespecを使っ
ている必要がある
• 4.19のclock_settimeには使われているが、4.14のclock_settimeでは使われていない
SYSCALL_DEFINE2(clock_settime, const clockid_t, which_clock,
const struct timespec __user *, tp)
{
const struct k_clock *kc = clockid_to_kclock(which_clock);
struct timespec64 new_tp;
if (!kc || !kc->clock_set)
return -EINVAL;
if (get_timespec64(&new_tp, tp))
return -EFAULT;
return kc->clock_set(which_clock, &new_tp);
}
SYSCALL_DEFINE2(clock_gettime, const clockid_t, which_clock,
struct timespec __user *,tp)
{
const struct k_clock *kc = clockid_to_kclock(which_clock);
struct timespec64 kernel_tp;
int error;
if (!kc)
return -EINVAL;
error = kc->clock_get(which_clock, &kernel_tp);
if (!error && put_timespec64(&kernel_tp, tp))
error = -EFAULT;
return error;
}
SYSCALL_DEFINE2(clock_settime, const clockid_t, which_clock,
const struct __kernel_timespec __user *, tp)
{
const struct k_clock *kc = clockid_to_kclock(which_clock);
struct timespec64 new_tp;
if (!kc || !kc->clock_set)
return -EINVAL;
if (get_timespec64(&new_tp, tp))
return -EFAULT;
return kc->clock_set(which_clock, &new_tp);
}
SYSCALL_DEFINE2(clock_gettime, const clockid_t, which_clock,
struct __kernel_timespec __user *, tp)
{
const struct k_clock *kc = clockid_to_kclock(which_clock);
struct timespec64 kernel_tp;
int error;
if (!kc)
return -EINVAL;
error = kc->clock_get(which_clock, &kernel_tp);
if (!error && put_timespec64(&kernel_tp, tp))
error = -EFAULT;
return error;
}
4.14 4.19

15. LTSカーネルの状況
• 各バージョンの状況を見ると、一通り入っているとされている5.4を基準とすると
• 4.19は頑張ればいけるかもレベル
• 4.14はかなり無理がありそう
• ただし、キーとなっていそうなこの対応は5.4にしか入っていないので、4.19もつらそうではある
• https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/commit/?h=v5.4.94&id=48166e6ea47d2
3984f0b481ca199250e1ce0730a
• パッチの状況
• 5.4
• https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/log/?h=v5.4.94&qt=grep&q=y2038%3A
• 4.19
• https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/log/?h=linux-4.19.y&qt=grep&q=y2038%3A
• 4.14
• https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/log/?h=linux-4.14.y&qt=grep&q=y2038%3A

16. 次は
• ユーザーランド。。。