Linux时间子系统(一):gettimeofday和clock_gettime实现分析

2024-06-12 12:28

本文主要是介绍Linux时间子系统(一):gettimeofday和clock_gettime实现分析,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

1. Linux用户态获取时间的函数

a. 秒级别的时间函数:time和stime

time和stime函数的定义如下:

#include <time.h>time_t time(time_t *t);int stime(time_t *t);

        time函数返回了当前时间点到linux epoch的秒数(内核中timekeeper模块保存了这个值,timekeeper->xtime_sec)。stime是设定当前时间点到linux epoch的秒数。对于linux kernel,设定时间的进程必须拥有CAP_SYS_TIME的权利,否则会失败。

b. 微秒级别的时间函数:gettimeofday和settimeofday

#include <sys/time.h>int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);int settimeofday(const struct timeval *tv, const struct timezone *tz);

        这两个函数和上一小节秒数的函数类似,只不过时间精度可以达到微秒级别。gettimeofday函数可以获取从linux epoch到当前时间点的秒数以及微秒数

        显然,sys_gettimeofday和sys_settimeofday这两个系统调用是用来支持上面两个函数功能的,值得一提的是:这些系统调用在新的POSIX标准中 gettimeofday和settimeofday接口函数被标注为obsolescent,取而代之的是clock_gettime和clock_settime接口函数

        实际上上面的说法并不完全准确,在《Linux多线程服务端编程》一书5.1节中提到过,在x86-64的Linux上,gettimeofday不是系统调用,不会陷入内核。这种说法也有问题,因为gettimeofday确实是个系统调用,但是linux的vdso(virtual dynamic shared object)机制帮我们做到了在调用这些系统调用时不陷入内核,从而提高了性能。我们后面分析代码时会看到。

c. 纳秒级别的时间函数:clock_gettime和clock_settime

#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);

        如果不是clk_id这个参数,clock_gettime和clock_settime基本上是不用解释的,其概念和gettimeofday和settimeofday接口函数是完全类似的,除了精度是纳秒。Linux 5.10 定义了如下的clkid

/** The IDs of the various system clocks (for POSIX.1b interval timers):*/
#define CLOCK_REALTIME			0
#define CLOCK_MONOTONIC			1
#define CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID	2
#define CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID		3
#define CLOCK_MONOTONIC_RAW		4
#define CLOCK_REALTIME_COARSE		5
#define CLOCK_MONOTONIC_COARSE		6
#define CLOCK_BOOTTIME			7
#define CLOCK_REALTIME_ALARM		8
#define CLOCK_BOOTTIME_ALARM		9

        但是以上ID并没有包含全部的clock类型,始终类型,以及时间与时钟源的关系,我们后面再来分析

2. gettimeofday和clock_gettime的实现

a. gettimeofday的实现

        我们先看gettimeofday的实现,使用gettimeofday的示例代码如下:
 

#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char* argv[])
{struct timeval tv_begin, tv_end;gettimeofday(&tv_begin, NULL);printf("start tv_sec %ld tv_usec %ld\n", tv_begin.tv_sec, tv_begin.tv_usec);usleep(1000);gettimeofday(&tv_end, NULL);printf("end tv_sec %ld tv_usec %ld\n", tv_end.tv_sec, tv_end.tv_usec);
}

在Linux kernel中,kernel/time/time.c目录下有如下代码:

SYSCALL_DEFINE2(gettimeofday, struct __kernel_old_timeval __user *, tv,struct timezone __user *, tz)
{if (likely(tv != NULL)) {struct timespec64 ts;ktime_get_real_ts64(&ts);if (put_user(ts.tv_sec, &tv->tv_sec) ||put_user(ts.tv_nsec / 1000, &tv->tv_usec))return -EFAULT;}if (unlikely(tz != NULL)) {if (copy_to_user(tz, &sys_tz, sizeof(sys_tz)))return -EFAULT;}return 0;
}

如果不看gettimeofday的C库实现,肯定会认为gettimeofday就是直接使用上面的系统调用,实际上我一开始就是这么认为的。我们去glibc/musl看一下,这个函数在musl 1.2.3中的定义如下

int gettimeofday(struct timeval *restrict tv, void *restrict tz)
{struct timespec ts;if (!tv) return 0;clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);tv->tv_sec = ts.tv_sec;tv->tv_usec = (int)ts.tv_nsec / 1000;return 0;
}

gettimeofday并没有直接使用系统调用,格式调用了clock_gettime,并且clockid直接填写了CLOCK_REALTIME,那么接下来我们就要分析clock_gettime函数了。

b. clock_gettime的实现

再看musl 1.2.3中的clock_gettime的代码

int __clock_gettime(clockid_t clk, struct timespec *ts)
{int r;#ifdef VDSO_CGT_SYMint (*f)(clockid_t, struct timespec *) =(int (*)(clockid_t, struct timespec *))vdso_func;if (f) {r = f(clk, ts);if (!r) return r;if (r == -EINVAL) return __syscall_ret(r);/* Fall through on errors other than EINVAL. Some buggy* vdso implementations return ENOSYS for clocks they* can't handle, rather than making the syscall. This* also handles the case where cgt_init fails to find* a vdso function to use. */}
#endif#ifdef SYS_clock_gettime64r = -ENOSYS;if (sizeof(time_t) > 4)r = __syscall(SYS_clock_gettime64, clk, ts);if (SYS_clock_gettime == SYS_clock_gettime64 || r!=-ENOSYS)return __syscall_ret(r);long ts32[2];r = __syscall(SYS_clock_gettime, clk, ts32);if (r==-ENOSYS && clk==CLOCK_REALTIME) {r = __syscall(SYS_gettimeofday, ts32, 0);ts32[1] *= 1000;}if (!r) {ts->tv_sec = ts32[0];ts->tv_nsec = ts32[1];return r;}return __syscall_ret(r);
#elser = __syscall(SYS_clock_gettime, clk, ts);if (r == -ENOSYS) {if (clk == CLOCK_REALTIME) {__syscall(SYS_gettimeofday, ts, 0);ts->tv_nsec = (int)ts->tv_nsec * 1000;return 0;}r = -EINVAL;}return __syscall_ret(r);
#endif
}weak_alias(__clock_gettime, clock_gettime);

很明显有2个分支,我们先看第一个分支,包含宏定义VDSO_CGT_SYM,这里不详细介绍vdso了,放在后面单独讲,vdso简而言之就是为了避免系统调用的开销,使用内存映射的办法,将内核数据映射到用户空间。

那么数据是如何更新到vdso数据的呢?在内核的时间更新函数timekeeping_update函数中调用update_vsyscall更新了vdso数据结构

那么clock_gettime是否在所有情况下都能从用户态获取到时间呢,其实并不是,即使在使能了vdso的情况下,也还是有一些场景需要trap进内核,比如访问phc clock的时间。所以内核还是支持正常的系统调用,内核实现如下:

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_timespec(which_clock, &kernel_tp);if (!error && put_timespec64(&kernel_tp, tp))error = -EFAULT;return error;
}

同样,我们可以看到根据clockid的不同可以获取到不同的时间,如下:

static const struct k_clock * const posix_clocks[] = {[CLOCK_REALTIME]		= &clock_realtime,[CLOCK_MONOTONIC]		= &clock_monotonic,[CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID]	= &clock_process,[CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID]	= &clock_thread,[CLOCK_MONOTONIC_RAW]		= &clock_monotonic_raw,[CLOCK_REALTIME_COARSE]		= &clock_realtime_coarse,[CLOCK_MONOTONIC_COARSE]	= &clock_monotonic_coarse,[CLOCK_BOOTTIME]		= &clock_boottime,[CLOCK_REALTIME_ALARM]		= &alarm_clock,[CLOCK_BOOTTIME_ALARM]		= &alarm_clock,[CLOCK_TAI]			= &clock_tai,
};

这里的时间的含义是什么,我们获取到的是什么时间,这个问题下面再讨论。

3. 遗留问题

a. vdso的机制:vdso是如何让用户态不必陷入到内核获取到时间的?

b. clock_gettime能够获取到的各类时间有什么不同?

这两个问题后面再讲。

这篇关于Linux时间子系统(一):gettimeofday和clock_gettime实现分析的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1054212

相关文章

服务器集群同步时间手记

1.时间服务器配置(必须root用户) (1)检查ntp是否安装 [root@node1 桌面]# rpm -qa|grep ntpntp-4.2.6p5-10.el6.centos.x86_64fontpackages-filesystem-1.41-1.1.el6.noarchntpdate-4.2.6p5-10.el6.centos.x86_64 (2)修改ntp配置文件 [r

linux-基础知识3

打包和压缩 zip 安装zip软件包 yum -y install zip unzip 压缩打包命令: zip -q -r -d -u 压缩包文件名 目录和文件名列表 -q:不显示命令执行过程-r:递归处理,打包各级子目录和文件-u:把文件增加/替换到压缩包中-d:从压缩包中删除指定的文件 解压:unzip 压缩包名 打包文件 把压缩包从服务器下载到本地 把压缩包上传到服务器(zip

hdu1043(八数码问题,广搜 + hash(实现状态压缩) )

利用康拓展开将一个排列映射成一个自然数,然后就变成了普通的广搜题。 #include<iostream>#include<algorithm>#include<string>#include<stack>#include<queue>#include<map>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<ctype.h>#inclu

性能分析之MySQL索引实战案例

文章目录 一、前言二、准备三、MySQL索引优化四、MySQL 索引知识回顾五、总结 一、前言 在上一讲性能工具之 JProfiler 简单登录案例分析实战中已经发现SQL没有建立索引问题,本文将一起从代码层去分析为什么没有建立索引? 开源ERP项目地址:https://gitee.com/jishenghua/JSH_ERP 二、准备 打开IDEA找到登录请求资源路径位置

【C++】_list常用方法解析及模拟实现

相信自己的力量,只要对自己始终保持信心,尽自己最大努力去完成任何事,就算事情最终结果是失败了,努力了也不留遗憾。💓💓💓 目录   ✨说在前面 🍋知识点一:什么是list? •🌰1.list的定义 •🌰2.list的基本特性 •🌰3.常用接口介绍 🍋知识点二:list常用接口 •🌰1.默认成员函数 🔥构造函数(⭐) 🔥析构函数 •🌰2.list对象

【Prometheus】PromQL向量匹配实现不同标签的向量数据进行运算

✨✨ 欢迎大家来到景天科技苑✨✨ 🎈🎈 养成好习惯,先赞后看哦~🎈🎈 🏆 作者简介:景天科技苑 🏆《头衔》:大厂架构师,华为云开发者社区专家博主,阿里云开发者社区专家博主,CSDN全栈领域优质创作者,掘金优秀博主,51CTO博客专家等。 🏆《博客》:Python全栈,前后端开发,小程序开发,人工智能,js逆向,App逆向,网络系统安全,数据分析,Django,fastapi

让树莓派智能语音助手实现定时提醒功能

最初的时候是想直接在rasa 的chatbot上实现,因为rasa本身是带有remindschedule模块的。不过经过一番折腾后,忽然发现,chatbot上实现的定时,语音助手不一定会有响应。因为,我目前语音助手的代码设置了长时间无应答会结束对话,这样一来,chatbot定时提醒的触发就不会被语音助手获悉。那怎么让语音助手也具有定时提醒功能呢? 我最后选择的方法是用threading.Time

Linux 网络编程 --- 应用层

一、自定义协议和序列化反序列化 代码: 序列化反序列化实现网络版本计算器 二、HTTP协议 1、谈两个简单的预备知识 https://www.baidu.com/ --- 域名 --- 域名解析 --- IP地址 http的端口号为80端口,https的端口号为443 url为统一资源定位符。CSDNhttps://mp.csdn.net/mp_blog/creation/editor

【Python编程】Linux创建虚拟环境并配置与notebook相连接

1.创建 使用 venv 创建虚拟环境。例如,在当前目录下创建一个名为 myenv 的虚拟环境: python3 -m venv myenv 2.激活 激活虚拟环境使其成为当前终端会话的活动环境。运行: source myenv/bin/activate 3.与notebook连接 在虚拟环境中,使用 pip 安装 Jupyter 和 ipykernel: pip instal