Linux時間子系統(三) 用戶空間接口函數
一、前言
從應用程序的角度看，內核需要提供的和時間相關的服務有三種：
1、和系統時間相關的服務。例如，在向數據庫寫入一條記錄的時候，需要記錄操作時間（何年何月何日何時）。
2、讓進程睡眠一段時間
3、和timer相關的服務。在一段指定的時間過去後，kernel要alert用戶進程
本文主要描述和時間子系統相關的用戶空間接口函數知識。
二、和系統時間相關的服務
1、秒級別的時間函數：time和stime
time和stime函數的定義如下：
#include <time.h>
time_t time(time_t *t);
int stime(time_t *t);
time函數返回了當前時間點到linux epoch的秒數（內核中timekeeper模塊保存了這個值，timekeeper->xtime_sec）。stime是設定當前時間點到linux epoch的秒數。對於linux kernel，設定時間的進程必須擁有CAP_SYS_TIME的權利，否則會失敗。
linux kernel用系統調用sys_time和sys_stime來支持這兩個函數。實際上，在引入更高精度的時間相關的系統調用之後（例如：sys_gettimeofday），上面這兩個系統調用可以用新的系統調在用戶空間實現time和stime函數。在kernel中，只有定義了__ARCH_WANT_SYS_TIME這個宏，系統才會提供上面這兩個系統調用。當然，提供這樣的系統調用多半是為了兼容舊的應用軟件。
配合上面的接口函數還有一系列將當前時間點到linux epoch的秒數轉換成適合人類閱讀的接口函數，例如asctime, ctime, gmtime, localtime, mktime, asctime_r, ctime_r, gmtime_r, localtime_r ，這些函數主要用來將time_t類型的時間轉換成break-down time或者字符形式。
2、微秒級別的時間函數：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);
這兩個函數和上一小節秒數的函數類似，只不過時間精度可以達到微秒級別。gettimeofday函數可以獲取從linux epoch到當前時間點的秒數以及微秒數（在內核態，這個時間值仍然是通過timekeeper模塊獲得的，具體接口是getnstimeofday64，該接口的時間精度是納秒級別的，不過沒有關系，除以1000就獲得微秒級別的精度了），settimeofday則是設定從linux epoch到當前時間點的秒數以及微秒數。同樣的，設定時間的進程必須擁有CAP_SYS_TIME的權利，否則會失敗。tz參數是由於歷史原因而存在，實際上內核並沒有對timezone進行支持。
顯然，sys_gettimeofday和sys_settimeofday這兩個系統調用是用來支持上面兩個函數功能的，值得一提的是：這些系統調用在新的POSIX標準中 gettimeofday和settimeofday接口函數被標註為obsolescent，取而代之的是clock_gettime和clock_settime接口函數
3、納秒級別的時間函數：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這個參數，clock_gettime和clock_settime基本上是不用解釋的，其概念和gettimeofday和settimeofday接口函數是完全類似的，除了精度是納秒。clock就是時鐘的意思，它記錄了時間的流逝。clock ID當然就是識別system clock（系統時鐘）的ID了，定義如下：
CLOCK_REALTIME
CLOCK_MONOTONIC
CLOCK_MONOTONIC_RAW
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID
根據應用的需求，內核維護了幾個不同系統時鐘。大家最熟悉的當然就是CLOCK_REALTIME這個系統時鐘，因為它表示了真實世界的墻上時鐘（前面兩節的接口函數沒有指定CLOCK ID，實際上獲取的就是CLOCK_REALTIME的時間值）。CLOCK_REALTIME這個系統時鐘允許用戶對其進行設定（當然要有CAP_SYS_TIME權限），這也就表示在用戶空間可以對該系統時鐘進行修改，產生不連續的時間間斷點。除此之外，也可以通過NTP對該時鐘進行調整（不會有間斷點，NTP調整的是local oscillator和上遊服務器頻率誤差而已）。
僅僅從名字上就可以看出CLOCK_MONOTONIC的系統時鐘應該是單調遞增的，此外，該時鐘也是真實世界的墻上時鐘，只不過其基準點不一定是linux epoch（當然也可以是），一般會把系統啟動的時間點設定為其基準點。隨後該時鐘會不斷的遞增。除了可以通過NTP對該時鐘進行調整之外，其他任何程序不允許設定該時鐘，這樣也就保證了該時鐘的單調性。
CLOCK_MONOTONIC_RAW具備CLOCK_MONOTONIC的特性，除了NTP調整。也就是說，clock id是CLOCK_MONOTONIC_RAW的系統時鐘是一個完全基於本地晶振的時鐘。不能設定，也不能對對晶振頻率進行調整。
在調用clock_gettime和clock_settime接口函數時，如果傳遞clock id參數是CLOCK_REALTIME的話，那麽這兩個函數的行為和前兩個小節描述的一致，除了是ns精度。讀到這裏，我詳細廣大人民群眾不免要問：為何要有其他類型的系統時鐘呢？MONOTONIC類型的時鐘相對比較簡單，如果你設定事件A之後5秒進行動作B，那麽用MONOTONIC類型的時鐘是一個比較好的選擇，如果使用REALTIME的時鐘，當用戶在事件A和動作B之間插入時間設定的操作，那麽你設定事件A之後5秒進行動作B將不能觸發。此外，用戶需要了解系統啟動時間，這個需求需要使用MONOTONIC類型的時鐘的時鐘。需要指出的是MONOTONIC類型的時鐘不是絕對時間的概念，多半是計算兩個采樣點之間的時間，並且保證采樣點之間時間的單調性。MONOTONIC_RAW是一個底層工具，一般而言程序員不會操作它，使用MONOTONIC類型的時鐘就夠用了，當然，一些高級的應用場合，例如你想使用另外的方法（不是NTP）來調整時間，那麽就可以使用MONOTONIC_RAW了。
有些應用場景使用real time的時鐘（墻上時鐘）是不合適的，例如當我們進行系統中各個應用程序的性能分析和統計的時候。正因為如此，kernel提供了基於進程或者線程的系統時鐘，也就是CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID和CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID了。當我們打算使用基於進程或者線程的系統時鐘的時候，需要首先獲取clock id：
#include <time.h>
int clock_getcpuclockid(pid_t pid, clockid_t *clock_id);
如果是線程的話，需要調用pthread_getcpuclockid接口函數：
#include <pthread.h>
#include <time.h>int pthread_getcpuclockid(pthread_t thread, clockid_t *clock_id);
雖然這組函數接口的精度可以達到ns級別，但是實際的系統可以達到什麽樣的精度是實現相關的，因此，clock_getres用來獲取系統時鐘的精度。
4、系統時鐘的調整
設定系統時間是一個比較粗暴的做法，一旦修改了系統時間，系統中的很多依賴絕對時間的進程會有各種奇奇怪怪的行為。正因為如此，系統提供了時間同步的接口函數，可以讓外部的精準的計時服務器來不斷的修正系統時鐘。
（1）adjtime接口函數
int adjtime(const struct timeval *delta, struct timeval *olddelta);
該函數可以根據delta參數緩慢的修正系統時鐘（CLOCK_REALTIME那個）。olddelta返回上一次調整中尚未完整的delta。
（2）adjtimex
#include <sys/timex.h>
int adjtimex(struct timex *buf);
RFC 1305定義了更復雜，更強大的時間調整算法，因此linux kernel通過sys_adjtimex支持這個算法，其用戶空間的接口函數就是adjtimex。由於這個算法過去強大，這裏就不再贅述，等有時間、有興趣之後再填補這裏的空白吧。
Linux內核提供了sys_adjtimex系統調用來支持上面兩個接口函數。此外，還提供了sys_clock_adjtime的系統調用來支持POSIX clock tunning。
三、進程睡眠
1、秒級別的sleep函數：sleep
#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int seconds);
調用該函數會導致當前進程sleep，seconds之後（基於CLOCK_REALTIME）會返回繼續執行程序。該函數的返回值說明了進程沒有進入睡眠的時間。例如如果我們想要睡眠8秒，但是由於siganl中斷了睡眠，只是sleep了5秒，那麽返回值就是3，表示有3秒還沒有睡。
2、微秒級別的sleep函數：usleep
#include <unistd.h>
int usleep(useconds_t usec);
概念上和sleep一樣，不過返回值的定義不同。usleep返回0表示執行成功，返回-1說明執行失敗，錯誤碼在errno中獲取。
3、納秒級別的sleep函數：nanosleep
#include <time.h>
int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);
usleep函數已經是過去式，不建議使用，取而代之的是nanosleep函數。req中設定你要sleep的秒以及納秒值，然後調用該函數讓當前進程sleep。返回0表示執行成功，返回-1說明執行失敗，錯誤碼在errno中獲取。EINTR表示該函數被signal打斷。rem參數是remaining time的意思，也就是說還有多少時間沒有睡完。
linux kernel並沒有提供sleep和usleep對應的系統調用，sleep和usleep的實現位於c lib。在有些系統中，這些實現是依賴信號的，也有的系統使用timer來實現的，對於GNU系統，sleep和usleep和nanosleep函數一樣，都是通過kernel的sys_nanosleep的系統調用實現的（底層是基於hrtimer）。
4、更高級的sleep函數：clock_nanosleep
#include <time.h>
int clock_nanosleep(clockid_t clock_id, int flags,
const struct timespec *request,
struct timespec *remain);
clock_nanosleep接口函數需要傳遞更多的參數，當然也就是意味著它功能更強大。clock_id說明該接口函數不僅能基於real time clock睡眠，還可以基於其他的系統時鐘睡眠。flag等於0或者1，分別指明request參數設定的時間值是相對時間還是絕對時間。
四、和timer相關的服務
1、alarm函數
#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
alarm函數是使用timer最簡單的接口。在指定秒數（基於CLOCK_REALTIME）的時間過去後，向該進程發送SIGALRM信號。當然，調用該接口的程序需要設定signal handler。
2、Interval timer函數
#include <sys/time.h>
int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value,
struct itimerval *old_value);
Interval timer函數的行為和alarm函數類似，不過功能更強大。每個進程支持3種timer，不同的timer定義了如何計時以及發送什麽樣的信號給進程，which參數指明使用哪個timer：
（1）ITIMER_REAL。基於CLOCK_REALTIME計時，超時後發送SIGALRM信號，和alarm函數一樣。
（2）ITIMER_VIRTUAL。只有當該進程的用戶空間代碼執行的時候才計時，超時後發送SIGVTALRM信號。
（3）ITIMER_PROF。只有該進程執行的時候才計時，不論是執行用戶空間代碼還是陷入內核執行（例如系統調用），超時後發送SIGPROF信號。
struct itimerval定義如下：
struct itimerval {
struct timeval it_interval; /* next value */
struct timeval it_value; /* current value */
};
兩個成員分別指明了本次和下次（超期後如何設定）的時間值。通過這樣的定義，interval timer可以實現one shot類型的timer和periodic的timer。例如current value設定為5秒，next value設定為3秒，設定這樣的timer後，it_value值會不斷遞減，直到5秒後觸發，而隨後it_value的值會被重新加載（使用it_interval的值），也就是等於3秒，之後會按照3為周期不斷的觸發。
old_value返回上次setitimer函數的設定值。getitimer函數獲取當前的Interval timer的狀態，其中的it_value成員可以得到當前時刻到下一次觸發點的世時間信息，it_interval成員保持不變，除非你重新調用setitimer重新設定。
雖然interval timer函數也是POSIX標準的一部分，不過在新的POSIX標準中，interval timer接口函數被標註為obsolescent，取而代之的是POSIX timer接口函數。
3、更高級，更靈活的timer函數
上一節介紹的Interval timer函數還是有功能不足之處：例如一個進程只能有ITIMER_REAL、ITIMER_VIRTUAL和ITIMER_PROF三個timer，如果連續設定其中一種timer（例如ITIMER_REAL），這會導致第一個設定被第二次設定覆蓋。此外，超時處理永遠是用信號的方式，而且發送的signal不能修改。當mask信號處理的時候，雖然timer多次超期，但是signal handler只會調用一次，無法獲取更詳細的信息。最後一點，Interval timer函數精度是微秒級別，精度有進一步提升的空間。正因為傳統的Interval timer函數的不足之處，POSIX標準定義了更高級，更靈活的timer函數，我們稱之POSIX （interval）Timer。
（1）創建timer
#include <signal.h>
#include <time.h>int timer_create(clockid_t clockid, struct sigevent *sevp, timer_t *timerid);
在這個接口函數中，clock id相信大家都很熟悉了， timerid一看就是返回的timer ID的句柄，就像open函數返回的文件描述符一樣。因此，要理解這個接口函數重點是了解struct sigevent這個數據結構：
union sigval { /* Data passed with notification */
int sival_int; /* Integer value */
void *sival_ptr; /* Pointer value */
};typedef struct sigevent {
sigval_t sigev_value;
int sigev_signo;
int sigev_notify;
union {
int _pad[SIGEV_PAD_SIZE];
int _tid;struct {
void (*_function)(sigval_t);
void *_attribute; /* really pthread_attr_t */
} _sigev_thread;
} _sigev_un;
} sigevent_t;
sigev_notify定義了當timer超期後如何通知該進程，可以設定：
（a）SIGEV_NONE。不需要異步通知，程序自己調用timer_gettime來輪詢timer的當前狀態
（b）SIGEV_SIGNAL。使用sinal這樣的異步通知方式。發送的信號由sigev_signo定義。如果發送的是realtime signal，該信號的附加數據由sigev_value定義。
（c）SIGEV_THREAD。創建一個線程執行timer超期callback函數，_attribute定義了該線程的屬性。
（d）SIGEV_THREAD_ID。行為和SIGEV_SIGNAL類似，不過發送的信號被送達進程內的一個指定的thread，這個thread由_tid標識。
（2）設定timer
#include <time.h>
int timer_settime(timer_t timerid, int flags, const struct itimerspec *new_value,
struct itimerspec * old_value);
int timer_gettime(timer_t timerid, struct itimerspec *curr_value);
timerid就是上一節中通過timer_create創建的timer。new_value和old_value這兩個參數類似setitimer函數，這裏就不再細述了。flag等於0或者1，分別指明new_value參數設定的時間值是相對時間還是絕對時間。如果new_value.it_value是一個非0值，那麽調用timer_settime可以啟動該timer。如果new_value.it_value是一個0值，那麽調用timer_settime可以stop該timer。
timer_gettime函數和getitimer類似，可以參考上面的描述。
（3）刪除timer
#include <time.h>
int timer_delete(timer_t timerid);
有創建就有刪除，timer_delete用來刪除指定的timer，釋放資源。
Linux時間子系統(三) 用戶空間接口函數