Linux中的时间编程和实现原理

1、Linux中的时间编程和实现原理本文试图完整地描述Linux系统中C语言编程中的时间问题。主要内容包括应用程序中的时间编程方法；时钟硬件简介；Glibc时间函数的实现以及Linux内核对时间的支持和实现原理。这一部分，探讨应用开发中的时间编程问题。引子我们都生活在时间中，但却无法去思考它。什么是时间呢？似乎这是一个永远也不能被回答的问题。然而作为一个程序员，在工作中，总有那么几次我必须思考什么是时间。比如，需要知道一段代码运行了多久；要在 log 文件中记录事件发生时的时间戳；再比如需要一个定时器以便能够定期做某些计算机操作。我发现，在计算机世界中，时间在不同场合也往往有不同的含义，让试图思考

2、它的人感到迷茫。但值得庆幸的是，Linux 中的时间终究是可以理解的。因此我打算讨论一下有关时间的话题，尝试着深入理解 Linux 系统中 C 语言编程中的时间问题。主要内容如下：· 第 1 部分是应用程序中的时间问题。有三个方面：程序计时需要；获取当前时间；定时器。· 第 2 部分包括时间硬件简介和 GlibC 实现时间函数的原理。· 第 3 和第 4 部分是 Linux 内核对时间的支持和实现原理。现在开始第 1 部分，探讨应用开发中的时间编程问题。在这一部分中，所有的例子代码都在 GlibC 2.14，内核 2.6.33 的 Linux 系统下编译并验证执行

3、过。读者如果使用低版本的 GlibC 和 Linux 内核有可能无法正确执行。获取当前时间时间的获取在程序当中, 我们经常要输出系统当前的时间，比如日志文件中的每一个事件都要记录其产生时间。在 C 语言中获取当前时间的方法有以下几种，它们所获得的时间精度从秒级到纳秒，各有所不同。表 1. C 时间函数function 定义 含义 返回值 精度 time() time 函数获得从 1970 年 1 月 1 日 0 点到当前的秒数，存储在time_t结构之中。 time_t 秒 gettimeofday() gettimeofday 函数返回从 1970 年 1 月 1 日 0 点以来，到现在的时

4、间。用 timeval 数据结构表示。 struct timevaltime_t tv_sec;long int tv_usec;微秒 clock_gettime() clock_gettime 函数返回从 1970 年 1 月 1 日 0 点以来，到现在的时间。用 timespec 数据结构表示。支持不广泛。属于实时扩展。struct timespectime_t tv_sec;long int tv_nsec; 纳秒 ftime() 函数返回从 1970 年 1 月 1 日 0 点以来，到现在的时间。用timeb数据结构表示。已经过时, 被 time() 替代。尽量不使用。 struct

5、timeb time_t time;unsigned short millitm;short timezone;short dstflag; 毫秒 GUN/Linux 提供了三个标准的 API 用来获取当前时间，time()/gettimeofday()/clock_gettime()，它们的区别仅在于获取的时间精度不同，您可以根据需要选取合适的调用。ftime() 是老的一些系统中的时间调用，很多 Linux 版本虽然支持它，但仅仅是为了向前兼容性，新开发的软件不建议使用 ftime() 来获得当前时间。时间显示和转换目前我们得到的时间是一个数字，无论精度如何，它代表的仅是一个差值。比如精度

6、为秒的 time() 函数，返回一个 time_t 类型的整数。假设当前时间为 2011 年 12 月 7 日下午 20 点 29 分 51 秒，那么 time_t 的值为：1323318591。即距离 1970 年 1 月 1 日零点，我们已经过去了 1323318591 秒。（这里的 1970 年 1 月 1 日零点是格林威治时间，而不是北京时间。）我们下面讨论的时间如果不特别说明都是格林威治时间，也叫 GMT 时间，或者 UTC 时间。字符串“1323318591 秒”对于多数人都没有太大的意义，我们更愿意看到“2011 年 12 月 7 日”这样的显示。因此当我们得到秒，毫秒，甚至纳秒

7、表示的当前时间之后，往往需要将这些数字转换为人们所熟悉的时间表示方法。由于国家，习惯和时区的不同，时间的表示方法并没有一个统一的格式。为了满足各种时间显示的需求，标准 C 库提供了许多时间格式转换的函数。这些函数的数量众多，容易让人迷惑，记住它们的用法十分不易。在这里我借用 Michael Kerrisk 在Linux Programming Interface一书中的插图，来对这些标准 C 函数进行一个总体的概览。图 1. 各种时间显示格式转换函数关系图从上图可以看到，time()/gettimeofday() 从内核得到当前时间之后，该当前时间值可以被两大类函数转换为更加容易阅读的显示格式

8、：· 固定格式转换· 用户指定格式转换函数。固定格式转换用 ctime() 函数转换出来的时间格式是系统固定的，调用者无法改动，因此被称为固定格式转换。如果您对日期格式没有特殊的要求，那么用它基本上就可以了，简单，不用记忆很多的参数。用户指定格式转换典型的 ctime() 格式如下：Wed Dec 7 20:45:43 PST 2011有些人觉得这个格式太长，类似 Wed，星期三这样的信息很多情况下都没有啥用途。人们可能更喜欢其他格式：比如2011-12-07 20:45。在这种情况下，就需要进行时间显示格式转换。做法为：先把从内核得到的时间值转换为 struct tm 类

9、型的值，然后调用 strftime() 等函数来输出自定义的时间格式字符串。下面我列举一些实例，以便读者更清晰地理解众多的时间转换函数的用法。各标准 C 时间转换函数的解释和举例char *ctime(const time_t *clock); 使用函数 ctime 将秒数转化为字符串. 这个函数的返回类型是固定的：一个可能值为”Thu Dec 7 14:58:59 2000”。这个字符串的长度和显示格式是固定的。清单 1，time 的使用#include <time.h>int main () time_t time_raw_format; time ( &time_ra

10、w_format ); /获取当前时间 printf (" time is %dn", time_raw_format); /用 ctime 将时间转换为字符串输出 printf ( "The current local time: %s", ctime(&time_raw_format); return 0;自定义格式转换为了更灵活的显示，需要把类型 time_t 转换为 tm 数据结构。tm 数据结构将时间分别保存到代表年，月，日，时，分，秒等不同的变量中。不再是一个令人费解的 64 位整数了。这种数据结构是各种自定义格式转换函数所需要的输入

11、形式。清单 2，数据结构 tmstruct tm int tm_sec; /* Seconds (0-60) */int tm_min; /* Minutes (0-59) */int tm_hour; /* Hours (0-23) */int tm_mday; /* Day of the month (1-31) */int tm_mon; /* Month (0-11) */int tm_year; /* Year since 1900 */int tm_wday; /* Day of the week (Sunday = 0)*/int tm_yday; /* Day in the y

12、ear (0-365; 1 Jan = 0)*/int tm_isdst; /* Daylight saving time flag > 0: DST is in effect; = 0: DST is not effect; < 0: DST information not available */;可以使用 gmtime() 和 localtime() 把 time_t 转换为 tm 数据格式，其中 gmtime() 把时间转换为格林威治时间；localtime 则转换为当地时间。清单 3，时间转换函数定义#include <time.h>struct tm *gm

13、time(const time_t *timep);struct tm *localtime(const time_t *timep);使用 tm 来表示时间，您就可以调用 asctime() 和 strftime() 将时间转换为字符串了。asctime() 的输出格式固定，和 ctime() 相同。strftime() 则类似我们最熟悉的 printf() 函数，您可以通过输入参数自定义时间的输出格式。size_t strftime(char *outstr, size_t maxsize, const char *format, const struct tm *timeptr);清单

14、4，时间显示转换int main ()time_t time_raw_format;struct tm * time_struct;char buf 100;time ( &time_raw_format );time_struct = localtime ( &time_raw_format );strftime (buf,100,"It is now: %I:%M%p.",time_struct);puts (buf);return 0;该例子程序的输出结果如下：It is now: 02:45PM.从以上的例子可以看到，利用从 time() 得到的时间

15、值，可以调用各种转换函数将其转换成更方便人们阅读的形式。此外从前面的总结中我们也了解到，还有两个 C 函数可以获得当前时间，gettimeofday() 以及 clock_gettime()，它们分别返回 struct timeval 或者 timespec 代表的高精度的时间值。在目前的 GLibC 中，还没有直接把 struct timeval/timespec 转换为 struct tm 的函数。一般的做法是将 timeval 中的 tv_sec 转换为 tm，使用上面所述的方法转换为字符串，最后在显示的时候追加上 tv_usec，比如下面的例子代码：清单 5，更多时间显示转换struc

16、t timeval tv;time_t nowtime; struct tm *nowtm; char tmbuf64, buf64; gettimeofday(&tv, NULL); /获取当前时间到 tvnowtime = tv.tv_sec; /nowtime 存储了秒级的时间值nowtm = localtime(&nowtime); /转换为 tm 数据结构/用 strftime 函数将 tv 转换为字符串，但 strftime 函数只能达到秒级精度strftime(tmbuf, sizeof tmbuf, "%Y-%m-%d %H:%M:%S",

17、nowtm);/将毫秒值追加到 strftime 转换的字符串末尾 snprintf(buf, sizeof buf, "%s.%06d", tmbuf, tv.tv_usec);时间的测量有时候我们要计算某段程序执行的时间，比如需要对算法进行时间分析。基本的实现思路为在被测试代码的开始和结束的地方获取当时时间，相减后得到相对值，即所需要的统计时间。为了实现高精度的时间测量，必须使用高精度的时间获取方式，一般有两种方法：· 系统调用 gettimeofday· 汇编指令 RDTSC。gettimeofday可以使用 gettimeofday() 函数进行

18、时间测量，其精度在 us 级别，可以用来做一般的时间分析。gettimeofday() 将时间保存在结构 tv 之中。gettimeofday() 的第二个参数代表时区，在 Linux 中已经废弃不用，只能用 NULL 传入。一个典型的例子程序如下：清单 6，gettimeofday 例子程序void function() unsigned int i,j; double y; for(i=0;i<1000;i+) for(j=0;j<1000;j+) y=sin(double)i); /耗时操作 main() struct timeval tpstart,tpend; float

19、 timeuse; gettimeofday(&tpstart,NULL); /记录开始时间戳 function(); gettimeofday(&tpend,NULL); /记录结束时间戳 timeuse = 1000000*(tpend.tv_sec-tpstart.tv_sec)+ tpend.tv_usec-tpstart.tv_usec; /计算差值 timeuse /= 1000000; printf("Used Time:%fn",timeuse); exit(0); 这个程序输出函数的执行时间，我们可以使用这个来进行系统性能的测试，或者是函数

20、算法的效率分析。在我个人机器上的输出结果是：Used Time:0.556070 RDTSCgettimeofday() 是一个系统调用，在某些场合下频繁调用它是不合适的。比如性能要求很高的代码段内。因为 gettimeofday() 需要用户态/内核态切换，开销较大。Intel X86 处理器提供了 TSC 硬件，并且可以用非特权指令 rdtsc 来读取该硬件的时间值，这就避免了过度的内核用户态切换。如何使用 RDTSC参考下面的例子代码，采用 GCC 的汇编扩展，定义 rdtsc 的函数，它返回当前时间戳。#define rdtsc(low,high) _asm_ _volatile_(&

21、quot;rdtsc" : "=a" (low), "=d" (high)在 C 代码中使用 rdtsc 十分简单。比如：清单 7，RDTSC 例子程序unsigned long long get_cycles()unsigned low, high;unsigned long long val;rdtsc(low,high);val = high;val = (val << 32) | low; /将 low 和 high 合成一个 64 位值return val;double get_cpu_mhz(void)FILE* f;c

22、har buf256;double mhz = 0.0;f = fopen("/proc/cpuinfo","r"); /打开 proc/cpuinfo 文件if (!f)return 0.0;while(fgets(buf, sizeof(buf), f) double m;int rc;rc = sscanf(buf, "cpu MHz : %lf", &m); /读取 cpu MHzif (mhz = 0.0) mhz = m;break;fclose(f);return mhz; /返回 HZ 值int main()d

23、ouble mhz;mhz = get_cpu_mhz();cycles_t c1, c2;for(;)c1 = get_cycles(); sleep(1);c2 = get_cycles(); /c2 和 c1 的差值应该为 1000000us，即 1 秒printf("1 sec = %g usecn", (c2 - c1) / mhz); 函数 get_cycles 将返回 64 位整数，代表当前时间，单位是 CPU 的 cycle 数。函数 get_cpu_mhz 获得当前 CPU 的工作频率。用两个 CPU cycle 的差值除以 CPU 频率，就是微妙。但 R

24、DTSC 只能在 IA 系列处理器上使用。而且由于处理器的乱序执行，RDTSC 有些情况下并不准确，在 SMP 下使用 RDTSC 也有一定的问题。但这些问题只有在需要极高时间精度的情况下才会出现，对于一般的时间测量要求，采用 RDTSC 是一个可以考虑的选择。计时器的使用有时我们需要定时完成一些任务。简单的方法是使用 while 循环加 sleep。比如每隔 1 分钟检查链接情况的 heartbeat 任务等。清单 8，sleep 加循环while(condtion) /do something sleep(interval);这可以满足很多程序的定时需要，但假如您不希望程序“偷懒”，即上例

25、中 sleep 的时候您还是希望程序做些有用的工作，那么使用定时器是通常的选择。Linux 系统上最常用的定时器是 setitmer 计时器。setitimerLinux 为每一个进程提供了 3 个 setitimer 间隔计时器：· ITIMER_REAL：减少实际时间，到期的时候发出 SIGALRM 信号。 · ITIMER_VIRTUAL：减少有效时间 (进程执行的时间)，产生 SIGVTALRM 信号。· ITIMER_PROF：减少进程的有效时间和系统时间 (为进程调度用的时间)。这个经常和上面一个使用用来计算系统内核时间和用户时间。产生 SIGPROF

26、 信号。所谓 REAL 时间，即我们人类自然感受的时间，英文计算机文档中也经常使用 wall-clock 这个术语。说白了就是我们通常所说的时间，比如现在是下午 5 点 10 分，那么一分钟的 REAL 时间之后就是下午 5 点 11 分。VIRTUAL 时间是进程执行的时间，Linux 是一个多用户多任务系统，在过去的 1 分钟内，指定进程实际在 CPU 上的执行时间往往并没有 1 分钟，因为其他进程会被 Linux 调度执行，在那些时间内，虽然自然时间在流逝，但指定进程并没有真正的运行。VIRTUAL 时间就是指定进程真正的有效执行时间。比如 5 点 10 分开始的 1 分钟内，进程 P1

27、 被 Linux 调度并占用 CPU 的执行时间为 30 秒，那么 VIRTUAL 时间对于进程 P1 来讲就是 30 秒。此时自然时间已经到了 5 点 11 分，但从进程 P1 的眼中看来，时间只过了 30 秒。PROF 时间比较独特，对进程 P1 来说从 5 点 10 分开始的 1 分钟内，虽然自己的执行时间为 30 秒，但实际上还有 10 秒钟内核是在执行 P1 发起的系统调用，那么这 10 秒钟也被加入到 PROF 时间。这种时间定义主要用于全面衡量进程的性能，因为在统计程序性能的时候，10 秒的系统调用时间也应该算到 P1 的头上。这也许就是 PROF 这个名字的来历吧。使用 set

28、itimer Timer 需要了解下面这些接口 API:int getitimer(int which,struct itimerval *value); int setitimer(int which,struct itimerval *newval, struct itimerval *oldval); itimerval 的定义如下：struct itimerval struct timeval it_interval; struct timeval it_value; getitimer 函数得到间隔计时器的时间值，保存在 value 中。setitimer 函数设置间隔计时器的时间值

29、为 newval. 并将旧值保存在 oldval 中；which 表示使用三个计时器中的哪一个。itimerval 结构中的 it_value 是第一次调用后触发定时器的时间，当这个值递减为 0 时，系统会向进程发出相应的信号。此后将以 it_internval 为周期定时触发定时器。给出一个具体的例子：清单 9，setitmer 例子void print_info(int signo) printf(“timer firedn”); /简单的打印，表示 timer 到期 void init_sigaction(void) struct sigaction act; act.sa_handle

30、r= print_info; act.sa_flags=0; sigemptyset(&act.sa_mask); sigaction(SIGPROF,&act,NULL); /设置信号 SIGPROF 的处理函数为 print_info void init_time() struct itimerval value; value.it_value.tv_sec=2; value.it_value.tv_usec=0; value.it_interval=value.it_value; setitimer(ITIMER_PROF,&value,NULL); /初始化 t

31、imer，到期发送 SIGPROF 信号 int main() len=strlen(prompt); init_sigaction(); init_time(); while(1); exit(0); 这个程序使用 PROF 时间，每经过两秒 PROF 时间之后就会打印一下 timer fired 字符串。需要指出：setitimer 计时器的精度为 ms，即 1000 分之 1 秒，足以满足绝大多数应用程序的需要。但多媒体等应用可能需要更高精度的定时，那么就需要考虑使用下一类定时器：POSIX Timer。POSIX Timer间隔定时器 setitimer 有一些重要的缺点，POSIX

32、Timer 对 setitimer 进行了增强，克服了 setitimer 的诸多问题：首先，一个进程同一时刻只能有一个 timer。假如应用需要同时维护多个 Interval 不同的计时器，必须自己写代码来维护。这非常不方便。使用 POSIX Timer，一个进程可以创建任意多个 Timer。setitmer 计时器时间到达时，只能使用信号方式通知使用 timer 的进程，而 POSIX timer 可以有多种通知方式，比如信号，或者启动线程。使用 setitimer 时，通知信号的类别不能改变：SIGALARM，SIGPROF 等，而这些都是传统信号，而不是实时信号，因此有 timer o

33、verrun 的问题；而 POSIX Timer 则可以使用实时信号。setimer 的精度是 ms，POSIX Timer 是针对有实时要求的应用所设计的，接口支持 ns 级别的时钟精度。表 2. POSIX Timer 函数函数名 功能描述 timer_create 创建一个新的 Timer；并且指定定时器到时通知机制 timer_delete删除一个 Timer timer_gettimeGet the time remaining on a POSIX.1b interval timer timer_settime开始或者停止某个定时器。 timer_getoverrun 获取丢失的定

34、时通知个数。 使用 Posix Timer 的基本流程很简单，首先创建一个 Timer。创建的时候可以指定该 Timer 的一些特性，比如 clock ID。clock ID 即 Timer 的种类，可以为下表中的任意一种：表 3. POSIX Timer clock IDClock ID 描述 CLOCK_REALTIME Settable system-wide real-time clock； CLOCK_MONOTONIC Nonsettable monotonic clock CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID Per-process CPU-time clock CL

35、OCK_THREAD_CPUTIME_ID Per-thread CPU-time clock CLOCK_REALTIME 时间是系统保存的时间，即可以由 date 命令显示的时间，该时间可以重新设置。比如当前时间为上午 10 点 10 分，Timer 打算在 10 分钟后到时。假如 5 分钟后，我用 date 命令修改当前时间为 10 点 10 分，那么 Timer 还会再等十分钟到期，因此实际上 Timer 等待了 15 分钟。假如您希望无论任何人如何修改系统时间，Timer 都严格按照 10 分钟的周期进行触发，那么就可以使用 CLOCK_MONOTONIC。CLOCK_PROCESS

36、_CPUTIME_ID 的含义与 setitimer 的 ITIMER_VIRTUAL 类似。计时器只记录当前进程所实际花费的时间；比如还是上面的例子，假设系统非常繁忙，当前进程只能获得 50%的 CPU 时间，为了让进程真正地运行 10 分钟，应该到 10 点 30 分才允许 Timer 到期。CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID 以线程为计时实体，当前进程中的某个线程真正地运行了一定时间才触发 Timer。设置到期通知方式timer_create 的第二个参数 struct sigevent 用来设置定时器到时时的通知方式。该数据结构如下：清单 10，结构 sigevent st

37、ruct sigevent int sigev_notify; /* Notification method */ int sigev_signo; /* Notification signal */ union sigval sigev_value; /* Data passed with notification */ void (*sigev_notify_function) (union sigval); /* Function used for thread notification (SIGEV_THREAD) */ void *sigev_notify_attributes; /

38、* Attributes for notification thread (SIGEV_THREAD) */ pid_t sigev_notify_thread_id; /* ID of thread to signal (SIGEV_THREAD_ID) */ ;其中 sigev_notify 表示通知方式，有如下几种：表 3. POSIX Timer 到期通知方式通知方式 描述 SIGEV_NONE 定时器到期时不产生通知。 SIGEV_SIGNAL 定时器到期时将给进程投递一个信号，sigev_signo 可以用来指定使用什么信号。 SIGEV_THREAD 定时器到期时将启动新的线程进

39、行需要的处理 SIGEV_THREAD_ID（仅针对 Linux) 定时器到期时将向指定线程发送信号。 如果采用 SIGEV_NONE 方式，使用者必须调用timer_gettime 函数主动读取定时器已经走过的时间。类似轮询。如果采用 SIGEV_SIGNAL 方式，使用者可以选择使用什么信号，用 sigev_signo 表示信号值，比如 SIG_ALARM。如果使用 SIGEV_THREAD 方式，则需要设置 sigev_notify_function，当 Timer 到期时，将使用该函数作为入口启动一个线程来处理信号；sigev_value 保存了传入 sigev_notify_func

40、tion 的参数。sigev_notify_attributes 如果非空，则应该是一个指向 pthread_attr_t 的指针，用来设置线程的属性（比如 stack 大小,detach 状态等）。SIGEV_THREAD_ID 通常和 SIGEV_SIGNAL 联合使用，这样当 Timer 到期时，系统会向由 sigev_notify_thread_id 指定的线程发送信号，否则可能进程中的任意线程都可能收到该信号。这个选项是 Linux 对 POSIX 标准的扩展，目前主要是 GLibc 在实现 SIGEV_THREAD 的时候使用到，应用程序很少会需要用到这种模式。启动定时器创建 Ti

41、mer 之后，便可以调用 timer_settime() 函数指定定时器的时间间隔，并启动该定时器了。 int timer_settime(timer_t timerid, int flags, const struct itimerspec *new_value, struct itimerspec * old_value);第一次看到 timer_settime 的参数列表或许会令人觉得费解。先来看看 new_value 和 old_value，它们都是 struct itimerspec 数据结构。struct itimerspec struct timespec it_interval

42、; /定时器周期值 struct timespec it_value; /定时器到期值;启动和停止 Timer 都可以通过设置 new_value 来实现：new_value->it_interval 为定时器的周期值，比如 1 秒，表示定时器每隔 1 秒到期；new_value->it_value 如果大于 0，表示启动定时器，Timer 将在 it_value 这么长的时间过去后到期，此后每隔 it_interval 便到期一次。如果 it_value 为 0，表示停止该 Timer。有些时候，应用程序会先启动用一个时间间隔启动定时器，随后又修改该定时器的时间间隔，这都可以通过

43、修改 new_value 来实现；假如应用程序在修改了时间间隔之后希望了解之前的时间间隔设置，则传入一个非 NULL 的 old_value 指针，这样在 timer_settime() 调用返回时，old_value 就保存了上一次 Timer 的时间间隔设置。多数情况下我们并不需要这样，便可以简单地将 old_value 设置为 NULL，忽略它。下面给出一个使用 posix timer 的例子程序。最传统的例子就是创建通知方式为 SIGEV_SIGNAL 的 Timer。这样当定时器到期时，将产生信号通知，主程序需要定义自己的信号处理函数，来处理信号到期事件。这种例子比比皆是，我打算在这

44、里写一个采用通知方式为 SIGEV_THREAD 的例子。该例子程序从 main 函数开始主线程，在开始的时候打印出主线程的进程 ID 和线程 ID。清单 11，打印 TID pid_t tid = (pid_t) syscall (SYS_gettid); printf("start program in PID:%dTID:%dn",getpid(),tid);获得 ThreadID 的系统调用尚未被 GLibC 标准化，因此这里直接调用 syscall。然后，主线程初始化创建 Timer 所需要的数据结构：清单 12，设置通知方式 se.sigev_notify = SIGEV_THREAD; se.sigev_value.sival_ptr = &ti