总结:Linux系统下的单调时间函数

时间:2013-09-04 11:12来源:网络资源 作者:sunplusedu 点击:

    一、编写linux下应用程序的时候,有时候会用到高精度相对时间的概念,比如间隔100ms。那么应该使用哪个时间函数更准确呢?

    1、time
    该函数返回的是自1970年以来的秒数,显然精度不够,不能使用
    2、gettimeofday
    该函数返回的是自1970年以来的秒数和微秒数,精度显然是够了。我想有很多程序员也是用的这个函数来计算相对时间的,如果说系统时间因为ntp等原因发生时间跳变,那么用这个函数来计算相对时间是不是就会出问题了。所以说这个函数也不能使用
    3、clock_gettime
    该函数提供了4种类型CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_PROCESS_CPUTIMEID、CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID。从字面意思可以判断出来,CLOCK_MONOTONIC提供了单调递增的时间戳,该函数返回值为自系统启动后秒数和纳秒数,但是该函数没有考虑ntp的情况,所以并不是绝对意义上的单调递增(见二)。
    CLOCK_REALTIME is affected by settime()/settimeofday() calls and can also be frequency corrected by NTP via adjtimex().
    CLOCK_MONOTONIC is not affected by settime()/settimeofday(), but is frequency adjusted by NTP via adjtimex().With Linux,NTP normally uses settimeofday() for large corrections (over half a second). The adjtimex() inteface allows for small clock frequency changes (slewing). This can be done in a few different ways, see the man page for adjtimex.
    CLOCK_MONOTONIC_RAW that will not be modified at all, and will have a linear correlation with the hardware counters.
    4、syscall(SYS_clock_gettime, CLOCK_MONOTONIC_RAW, &monotonic_time)
    该函数提供了真正意义上的单调递增时间(见三)

    二、glibc 中clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)的原理
    查看glibc的代码可以看到这个数值是由内核计算的。
    __vdso_clock_gettime-------->do_monotonic
    这个函数的实现如下:
   

    notrace static noinline int do_monotonic(struct timespec *ts)
    {
    unsigned long seq, ns, secs;
    do {
    seq = read_seqbegin(&gtod->lock);
    secs = gtod->wall_time_sec;
    ns = gtod->wall_time_nsec + vgetns();
    secs += gtod->wall_to_monotonic.tv_sec;
    ns += gtod->wall_to_monotonic.tv_nsec;
    } while (unlikely(read_seqretry(&gtod->lock, seq)));
    /* wall_time_nsec, vgetns(), and wall_to_monotonic.tv_nsec
    * are all guaranteed to be nonnegative.
    */
    while (ns >= NSEC_PER_SEC) {
    ns -= NSEC_PER_SEC;
    ++secs;
    }
    ts->tv_sec = secs;
    ts->tv_nsec = ns;
    return 0;
    }

    这个代码读取墙上时间,然后加上相对于单调时间的便宜,从而得到单调时间,但是这里并没有考虑ntp通过adjtimex()调整小的时间偏差的情况,所以这个仍然不是绝对的单调递增。

    三、内核clock_gettime系统调用
    在kernel/posix-timers.c中内核实现了clock_gettime的系统调用,包括CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_MONOTONIC_RAW、CLOCK_REALTIME_COARSE、CLOCK_MONOTONIC_COARSE、CLOCK_BOOTTIME等类型,这里我们看一下CLOCK_MONOTONIC_RAW的实现
    

    struct k_clock clock_monotonic_raw = {
    .clock_getres = hrtimer_get_res,
    .clock_get = posix_get_monotonic_raw,
    };
    posix_timers_register_clock(CLOCK_MONOTONIC_RAW, &clock_monotonic_raw);
    /*
    * Get monotonic-raw time for posix timers
    */
    static int posix_get_monotonic_raw(clockid_t which_clock, struct timespec *tp)
    {
    getrawmonotonic(tp);
    return 0;
    }
    /**
    * getrawmonotonic - Returns the raw monotonic time in a timespec
    * @ts: pointer to the timespec to be set
    *
    * Returns the raw monotonic time (completely un-modified by ntp)
    */
    void getrawmonotonic(struct timespec *ts)
    {
    unsigned long seq;
    s64 nsecs;
    do {
    seq = read_seqbegin(&xtime_lock);
    nsecs = timekeeping_get_ns_raw();
    *ts = raw_time;
    } while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));
    timespec_add_ns(ts, nsecs);
    }
    EXPORT_SYMBOL(getrawmonotonic);
    static inline s64 timekeeping_get_ns_raw(void)
    {
    cycle_t cycle_now, cycle_delta;
    struct clocksource *clock;
    /* read clocksource: */
    clock = timekeeper.clock;
    cycle_now = clock->read(clock);
    /* calculate the delta since the last update_wall_time: */
    cycle_delta = (cycle_now - clock->cycle_last) & clock->mask;
    /* return delta convert to nanoseconds using ntp adjusted mult. */
    return clocksource_cyc2ns(cycle_delta, clock->mult, clock->shift);
    }

    四、关于wall time和monotonic time
    wall time:xtime,取决于用于对xtime计时的clocksource,它的精度甚至可以达到纳秒级别,内核大部分时间都是使用xtime来获得当前时间信息,xtime记录的是自1970年当前时刻所经历的纳秒数。
    monotonic time: 该时间自系统开机后就一直单调地增加(ntp adjtimex会影响其单调性),它不像xtime可以因用户的调整时间而产生跳变,不过该时间不计算系统休眠的时间,也就是说,系统休眠时(total_sleep_time),monotoic时间不会递增。
    raw monotonic time: 该时间与monotonic时间类似,也是单调递增的时间,唯一的不同是,raw monotonic time不会受到NTP时间调整的影响,它代表着系统独立时钟硬件对时间的统计。
    boot time:  与monotonic时间相同,不过会累加上系统休眠的时间(total_sleep_time),它代表着系统上电后的总时间。

    五、总结
    在linux下获取高精度单调递增的时间,只能使用syscall(SYS_clock_gettime, CLOCK_MONOTONIC_RAW, &monotonic_time)获取!
 
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