Linux时间类型、函数和休眠函数

浏览数：31 / 时间：2015年06月20日

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        本文主要涉及Linux时间类型、时间函数以及Linux提供的睡眠函数。

 

时间类型和对应的函数：

time_t:

        最不陌生的时间类型恐怕是time_t这个类型了吧。它出现在C语言的标准库。但ISO C中并没有规定time_t是什么类型、范围以及精度，不过在POSIX中一般是被实现为有符号的整型。

        time_t的单位是秒。函数time()的返回值就是一个time_t类型，表示从1970-01-01 00:00:00 UTC (即Epoch时间)到现在有多少秒。要注意的是，该函数返回的是一个UTC时间，不是我们平常使用的北京时间。可以用函数localtime把这个UTC时间转换成当地时间。我们可以用这个函数把UTC时间转换成北京时间。localtime的返回值是一个struct  tm结构体指针。定义如下：

struct tm {
	int tm_sec;    /* 秒 [0-60] 有闰秒*/
	int tm_min;    /* 分钟 [0-59] */
	int tm_hour;   /* 小时 [0-23) */
	int tm_mday;   /* 日 [1-31) */
	int tm_mon;    /*月 [0-11) */
	int tm_year;   /* 年 其值等于所在年份- 1900 */
	int tm_wday;   /* 星期 ]0-6] 星期天为0 */
	int tm_yday;   /* 今天是今年的第几天 [0-365]  1月1日是第0天*/
	int tm_isdst;  /* 夏令时标志位*/
};

        注意各个成员的范围，不要搞错了。此外，对于秒，是有闰秒的。所以范围是[0, 60]。

        可以看到，相对于一个time_t,这个struct  tm结构体的成员还是很有用的。因为一个给定time_t，人们根本就不知道它表示的是哪个时间，但转换成struct  tm结构体后就能一眼看出是什么时间。

        如果并不想把时间转换成本地时间，而仅仅转换成struct tm，那么可以使用函数gmtime，它同样是返回一个struct tm指针。因为localtime和gmtime都是返回一个指针，所以它们都不是线程安全的。对于地，有localtime_r和gmtime_r。这个两个函数是线程安全的。如果像把一个struct tm时间转换成time_t可以使用mktime函数。有时也想把用这个时间类型转换成一个字符串方便输出，标准C语言也提供了这些函数。下面给出这些函数的声明。

char *asctime(const struct tm *tm);
char *asctime_r(const struct tm *tm, char *buf);

char *ctime(const time_t *timep);
char *ctime_r(const time_t *timep, char *buf);

struct tm *gmtime(const time_t *timep);
struct tm *gmtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);

struct tm *localtime(const time_t *timep);
struct tm *localtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);

time_t mktime(struct tm *tm);

        一般来说，这些函数都是在time.h头文件中。但对于线程安全的那几个函数，有些编译器还要另外#include<pthread.h>。



clock_t:

        它的实际类型是有符号整型，它一般是用来表示一个进程占用的CPU时间。函数clock()返回就一个clock_t类型值，表示进程从启动到调用clock函数，使用了多少CPU时间。将返回值除以CLOCKS_PER_SEC，就能得到以秒为单位的时间。clock函数声明在time.h头文件中。

 

struct timeval:

        相对来说，time_t的粒度还是比较大，单位是秒。

        Linux还提供了下面另外一个精确度高一些类型strut timeval。

struct timeval {
	time_t      tv_sec;     /* seconds */
	suseconds_t tv_usec;    /* microseconds 微秒*/
};

        成员tv_usec表示的是微秒，1秒 = 1 000毫秒 = 1 000 000微秒。

        一般是在函数gettimeofday函数中使用到这个时间类型。

#include<syt/time.h>
	int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);//第二个参数一般为NULL


        像time函数语言，它也返回一个从1970-01-01 00:00:00 UTC(即Epoch时间)到现在流逝的时间，当然这个时间也就是系统时间，为UTC时间不是当地时间。也可以把struct timeval当作现在的时间，将成员tv_sec用上面的localtime转换即可。

        Linux还定义了一系列用于struct  timeval的操作函数。比如相加减，清空，比较。

#include <sys/time.h>
void timeradd(struct timeval *a, struct timeval *b,
			 struct timeval *res);//res = a + b

void timersub(struct timeval *a, struct timeval *b,
			 struct timeval *res);//res = a - b

void timerclear(struct timeval *tvp);

int timerisset(struct timeval *tvp);

int timercmp(struct timeval *a, struct timeval *b, CMP);

        参数CMP就是我们平常用的比较符号<、>=、!=等等。

 

        有一点要注意的是，因为gettimeofday获取的是系统的时间。因为用户是可以手动修改这个系统时间的。所以gettimeofday获取的时间可能是错误的时间。

        如果程序想在两个不同的时刻分别获取系统，然后计算时间差。那么gettimeofday函数不是最佳选择。原因就是用户可以修改系统时间。此时应该使用monotonic时间。monotonic时间是boot启动后到现在的时间，没人能修改它。这个monotonic时间下面会讲解。



struct timespec:

struct timespec {
	time_t   tv_sec;        /* seconds */
	long     tv_nsec;       /* nanoseconds 纳秒*/
};

        它能提供的时间精确度是纳秒。当然，实际上硬件是不一定支持这个精确度的。 有三个与之相关的函数。

//glibc2.17之前的版本在链接时需加上-lrt
#include <time.h>
int clock_getres(clockid_t clk_id, struct timespec *res);
int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);
int clock_settime(clockid_t clk_id, const struct timespec *tp);

        可以用ls-al /lib/libc.so.6或者ldd –version命令查看glibc的版本，uname -r命令查看Linux内核版本。

 

        参数clk_id表示时钟类型，Linux提供下面这些时钟类型。


  • CLOCK_REALTIME: 系统范围的实时时钟。系统范围是指系统的所有用户所有程序都使用。实时时钟是指系统现在的时间(就像Windows右下角的那个时间)，这和gettimeofday函数获取的系统时间是相同的。系统时间是可以修改的，所以可以使用clock_settime(CLOCK_REALTIME)修改系统的时间
  • CLOCK_REALTIME_COARSE: 一个更快但时间粒度更大(即时间精确度没那么高)的CLOCK_REALTIME。这个函数是Linux系统特有的，在2.6.32内核版本中首次出现
  • CLOCK_MONOTONIC：monotonic时间。monotonic是单调的意思，也就是说它只会单调递增，不能被人手动修改。POSIX只是说明它是一个单调时间，并没有指定从什么时候开始算起的单调时间。所以有些系统取了Epoch时间，而有些系统(比如Linux)就取boot启动的时间。但也并不影响它的本身意义
  • CLOCK_MONOTONIC_COARSE：一个更快但时间粒度更大(即时间精确度没那么高)的CLOCK_MONOTONIC。这个函数是Linux系统特有的，在2.6.32内核版本中首次出现
  • CLOCK_BOOTTIME： 同CLOCK_MONOTONIC一样，只是当系统被挂起时，一样会计时(CLOCK_MONOTONIC不会)
  • CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID： 进程使用了多少CPU时间。该进程的所有线程所使用的CPU时间都会被统计进来
  • CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID： 线程使用了多少CPU时间


        clock_getres函数是用来获取对应时钟类型能够提供的时间精确度，res参数保存其精确度。在设置的时候，设置的时间值也应该是这个精确度的倍数。后面的休眠函数有些也会使用到上面这些时钟类型，休眠的时间也应该是精确度的倍数，否则由休眠函数截断取倍数。比如nanosleep函数。

 

        函数clock_gettime是用来获取对应时钟的时间。函数clock_settime则是用来设置对应时钟的时间。有些时钟是不能被设置的。




休眠函数：

        Linux提供了不同时间精确度的休眠函数。这些函数有些是在Linux高版本才出现的，有些是非线程安全的。下面就详细说明每一个休眠函数。


sleep：

#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int seconds);

        从sleep的参数名称可以看到，该函数的休眠时间单位是秒。由于这个休眠函数可能会被外界的信号所打断，所以其有一个返回值，用来指明余下的休眠时间。如果没有被信号打断，而休眠了参数锁指定的时间，那么将返回0。

        由于sleep函数可能是利用信号SIGALRM实现的，所以不应该在使用sleep函数的同时使用alarm函数。其实在《UNIX环境高级编程》里面，也看到书中有一个例子是怎么实现sleep函数，其中用到的方法就是alarm。

        明显，如果sleep是用SIGALRM实现的话，那么就肯定不是线程安全的。

        要注意的是，在Windows中提供了一个Sleep函数(S是大写的)，它的时间单位是毫秒。


usleep:

#include <unistd.h>
int usleep(useconds_t usec);//微秒

        usleep休眠函数的时间粒度比较小，是微秒，足够了。并且该函数是线程安全的。

        当这个休眠函数不被打断地休眠了指定的时间，将返回0。如果被信号打断了，将返回-1，并且将errno设置为EINTR。如果指定的参数不小于1000000也将返回-1，它认为休眠时间太长了，此时errno被设置为EINVAL。

        如果要使用这个函数，那么glibc的版本要不小于2.12。可以用命令ls -al /lib/libc.so.6查看glibc的版本。


nanosleep:

#include <time.h>
int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);//纳秒

        nanosleep函数能够提供纳秒级的休眠时间。这是相当不错的。参数req指明要休眠的时间。如果成功休眠了指定的时间，将返回0。

        如果休眠被一个信号给打断了，那么将返回-1，errno被赋值为EINTR。此时如果参数rem不为NULL的话，rem将被赋值成余下的休眠时间。有了rem，即使被信号打断，还是可以继续休眠，直到一开始指定的休眠时间。虽然这种方法理论上是可行，不过实际上可能出现时间漂移。比如说，你要休眠30ms，过了10ms后，被一个信号给打断了。此时rem将得到20ms的剩余值。如果CPU执行信号处理函数用了10ms，接着再休眠rem指明的时间。这样就出现时间漂移，一共休眠了40ms。可以用clock_nanosleep避免这个问题，因为它可以使用绝对时间。

        req的tv_nsec 成员的值范围得是0到999999999。如果是其他值，该函数直接返回-1，errno被设置为EINVAL。

 

        POSIX.1规定，nanosleep是使用CLOCK_REALTIME时钟来检测时间的(即检测是否超时)。然而Linux却是使用CLOCK_MONOTONIC时钟。看上去Linux的做法是明智的，因为前面已经说过用户是可以通过调用clock_settime函数修改CLOCK_REALTIME时钟的。不过，其实POSIX.1也规定了修改CLOCK_REALTIME时钟并不会影响到nanosleep函数的使用。明显要做到这一点，代码会复杂一些。使用CLOCK_MONOTONIC时钟就不用考虑这个问题。


clock_nanosleep：

//glibc2.17之前的版本在链接时需加上-lrt
#include <time.h>
int clock_nanosleep(clockid_t clock_id, int flags,
				   const struct timespec *request,
				   struct timespec *remain);

        参数clock_id指明该函数使用哪个时钟检测有没有睡够。有CLOCK_REALTIME、 CLOCK_MONOTONIC 、CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID三种可选时钟。上面已经对这些时间进行了讲解这里就不多说了。

        参数flags指明用的是不是绝对时间。如果该值为0，则使用的是一个时间段(即休眠的时长)。如果该参数为设置为TIMER_ABSTIME，那么就是使用绝对时间。

        参数request指明休眠时间。有参数flags指明这是一个时间段还是绝对时间。

        参数remain的作用和前面nanosleep函数的rem参数一样。当flags指明request是一个时间段，并且本函数被信号打断时，remain将得到余下的休眠时间。这个参数可以为NULL。

 

        如果flags指定使用绝对时间，并且request指明的时间小于或者等于当前时间，那么clock_nanosleep函数将马上返回，不会进入休眠。

 

        当clock_nanosleep成功休眠了指定的时间，将返回0。否则返回错误值，不设置errno变量。这点和其他的休眠函数不同。有下面这些错误值。

        FAULT： request或者remain指向一个非法地址(即野指针)

        EINTR：本函数被信号函数打断了

        EINVAL：request的tv_nsec成员的范围不是在0到999999999，即它是一个非法值。当clock_id不是去上面说到的那三个值时，也将返回EINVAL。要注意：clock_nanosleep并不支持CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID。

      

        该函数要注意的一些问题：因为该函数可以使用CLOCK_REALTIME时钟并且该时钟可以被手动修改。这可能会影响clock_nanosleep函数。首先，如果flags指明的是一个时间段，那么clock_nanosleep和nanosleep函数一样，没有影响。

        如果用户修改了CLOCK_REALTIME时钟的值，必然会对正在利用该时钟进行睡眠的clock_nanosleep产生影响。

        该函数的使用，需要Linux内核版本不小于2.6，glibc版本不小于2.1



        除了上面正规的休眠函数外，还可以利用其他的函数来实现休眠。


select：

#include <sys/select.h>
#include <sys/types.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

        select函数的最后一个参数就是一个时间值。当然它是一个时间段，不是绝对时间。当我们需要将select用作一个休眠函数时，直接把前面四个参数设置为0即可。

        如果休眠了指定的时间，该函数将返回0。如果中途被信号打断，那么将返回-1，errno被设置为EINTR。不同于其他的休眠函数，此时并没有一个可移植的方法知道剩余的休眠时间。虽然部分的Linux会修改timeout参数，得到剩余的休眠时间。



poll：

#include <poll.h>
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

        将前面的两个参数设为0，poll就成了一个休眠函数。参数timeout指定的休眠时间也是一个时间段，并且其时间单位是毫秒。

        如果休眠了指定的时间，该函数返回0。如果中途被信号打断了，那么返回-1，errno被设置为EINTR。



休眠时间精确度：

        由上面列出的一些休眠函数可以知道，Linux提供了各个时间精度的休眠函数：sleep(秒级)、poll(毫秒级)、usleep(微秒级)、nanosleep(纳秒级)。




休眠函数普遍存在的问题：

        休眠函数是有一个问题，那就是不能真正准确休眠指定的时间。主要原因有二个。

  1. 系统提供的时间的精确度不够。比如，系统只能提供10ms的精确度，你却想休眠15ms。此时系统只能把真正休眠时间设置为10ms或者20ms。一般是向上取，即取20ms
  2. CPU调度问题。虽然线程的休眠时间到了，要唤醒了。但此时CPU还在忙着其他事，没有空来唤醒休眠线程。那么休眠线程真正休眠的时间也将是不准确的

参考：

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