第五章——定时器及时钟服务

硬件定时器

• 定时器是由时钟源和可编程计数器组成的硬件设备。
• 时钟源通常是一个晶体振荡器，会产生周期性电信号，以精确的频率驱动计数器。使用一个倒计时值对计数器进行编程，每个时钟信号减1。当计数减为0时，计数器向CPU生成一个定时器中断，将计数值重新加载到计数器中，并重复倒计时。
• 计数器周期称为定时器刻度，是系统的基本计时单元。

个人计算机定时器

（1）实时时钟(RTC)。RTC由一个小型备用电池供电。即使在个人计算机关机时，它也能连续运行。它用于实时提供时间和日期信息。当Linux启动时，它使用RTC更新系统时间变量，以与当前时间保持一致。在所有类Unix系统中，时间变量是一个长整数，包含 从1970年1月1日起经过的秒数。
（2）可编程间隔定时器(PIT)。PIT是与CPU分离的一个硬件定时器。可对它进行编程，以提供以毫秒为单位的定时器刻度。在所有I/O设备中，PIT可以最高优先级IRQ0中断。PIT定时器中断由Linux内核的定时器中断处理程序来处理，为系统操作提供基本的定时单元，例如进程调度、进程间隔定时器和其他许多定时事件。
（3）多核CPU中的本地定时器。在多核CPU中，每个核都是一个独立的处理器，它有自己的本地定时器，由CPU时钟驱动。
（4）高分辨率定时器。大多数电脑都有一个时间戳定时器(TSC),由系统时钟驱动。它的内容可通过64位TSC寄存器读取。由于不同系统主板的时钟频率可能不同，TSC不适合作为实时设备，但它提供纳秒级的定时器分辨率。一些高端个人计算机可能还配备有专用高速定时器，以提供纳秒级定时器分辨率。

CPU操作

  每个CPU都有一个程序计数器(PC),也称为指令指针(IP),以及一个标志或状态寄存器(SR)、一个堆栈指针(SP)和几个通用寄存器，当PC指向内存中要执行的下一条指令时，SR包含CPU的当前状态，如操作模式、中断掩码和条件码，SP指向当前堆栈栈顶。
CPU操作可通过无限循环进行建模。

while (power-on){
(1)fetch instruction:load*PC as instruction,increment PC to point to the
next instruction in memory;
(2)decode instruction: interpret the instruction's operation code and
generate operandis;
(3)execute instruction: perform operation on operands,write results to
memory if needed; execution may use the stack,implicitly change PC, etC.
(4)check for pending interrupts; may handle interrupts;
}

  以上各步骤中，由于无效地址、非法指令、越权等原因，可能会出现一个错误状态，称为异常或陷阱。当CPU遇到异常时，它会根据内存中预先安装的指针来执行软件中的异常处理程序。在每条指令执行结束时，CPU会检查挂起的中断。中断是I/O设备或协处理器发送给CPU的外部信号，请求CPU服务。如果状态寄存器屏蔽了中断，CPU会忽略中断请求，否则，它将直接执行中断处理。
中断处理和异常处理都在操作系统内核中进行

中断处理

  外部设备（如定时器）的中断被反馈送到中断控制器的预定义输入行，按优先级对中断输入排序，并将具有最高优先级的中断作为中断请求路由器到CPU。如果状态寄存器屏蔽了中断，CPU会忽略中断请求，使其处于挂起状态，否则，它将直接执行中断处理。对于每个中断，可以编程中断控制器以生成一个唯一编号，叫作中断向量，标识中断源。获取中断向量号后，CPU用它作为内存中中断向量表中的条目索引，条目包含一个指向中断处理程序入口地址的指针来实际处理中断。

时钟服务函数

在linux下，常用的获取时间的函数有如下几个：

asctime, ctime, gmtime, localtime, gettimeofday
mktime, asctime_r, ctime_r, gmtime_r, localtime_r

gettimeofday-settimeofday

1.gettimeofday系统调用
函数原型如下：

#include <sys/time.h>
      int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
      struct timeval {
                 time_t      tv_sec;     /* seconds (秒)*/
                 suseconds_t tv_usec;    /* microseconds（微秒） */
                     };
      struct timezone {
                int tz_minuteswest;     /* minutes west of Greenwich */
                int tz_dsttime;         /* type of DST correction */1       
                  };

gettimeofday函数获取当前时间存于tv结构体中，相应的时区信息则存于tz结构体中
需要注意的是tz是依赖于系统，不同的系统可能存在获取不到的可能，因此通常设置为NULL

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
int main()
{
    struct timeval tv;
    gettimeofday(&tv, NULL);
    printf("tv_sec: %d\n", tv.tv_sec);
    printf("tv_usec: %d\n", tv.tv_usec);
    return 0;
}

输入代码，可见程序以秒、微秒来显示当前时间，并且以日历的形式显示当前日期和时间：

2.settimeofday
我们可以通过settimeofday()来设置系统调用时间（时间戳）
函数原型为：

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

函数说明：settimeofday()会把目前时间设成由tv 所指的结构信息，当地时区信息则设成tz所指的结构。详细的说明请参考gettimeofday()。
注意，在Linux下，只有root 权限才能使用此函数修改时间。
返回值：成功则返回0，失败返回－1，错误代码存于errno。
错误代码：
EPERM 并非由root 权限调用settimeofday()，权限不够。
EINVAL 时区或某个数据是不正确的，无法正确设置时间。

参考链接：https://blog.csdn.net/sweetfather/article/details/80253316

我们运行以下代码，查看settimeofday函数的具体功能：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/time.h>
#include<time.h>
struct timeval t;
int main()
{
int r;
t.tv_sec=123456789;
t.tv_usec=0;
r=settimeofday(&t,NULL);
if(!r)
{
printf("settimeofday() failed\n");
exit(1);
}
gettimeofday(&t,NULL);
printf("sec=%ld usec=%ld\n",t.tv_sec,t.tv_usec);
}

localtime_r() localtime()

可取得当地目前时间和日期，该函数原型如下：

 #include <time.h>   
   struct tm *localtime(const time_t *timep);
   struct tm *localtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);        
/*该函数将有time函数获取的值timep转换真实世界所使用的时间日期表示方法，然后将结果由结构tm返回*/
/**需要注意的是localtime函数可以将时间转换本地时间，但是localtime函数不是线程安全的。
多线程应用里面，应该用localtime_r函数替代localtime函数，因为localtime_r是线程安全的**/

time系统调用

函数原型如下：

SYNOPSIS
        #include <time.h>
//以秒为单位返回当前时间。
        time_t time(time_t *t);
DESCRIPTION
        time() returns the time as the number of seconds since the Epoch, 1970-01-01 00:00:00+0000 
        (UTC).8    //此函数会返回从公元1970年1月1日的UTC时间从0时0分0秒算起到现在所经过的秒数。如果t并非空指针的话，此函数也会将返回值存到t指针所指的内存。time系统调用有一定的局限性，只提供以秒为单位的分辨率，而不是以微妙为单位。
  RETURN VALUE
        On  success,  the value of time in seconds since the Epoch is returned.  On error, ((time_t) -1) is returned, and 
   errno is
        set appropriately.
 ERRORS
        EFAULT t points outside your accessible address space.
     //成功返回秒数，错误则返回(time_t) -1)，错误原因存于errno中

输入以下代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
int main()
{
    time_t seconds;
    seconds = time((time_t *)NULL);
    printf("%d\n", seconds);
    return 0;
}

可获取当前时间，运行结果如下：

times系统调用

其函数原型如下：
clock_t times(struct tms* tbuf);
可用于获取某进程的具体执行时间
这里用到了tms结构体

struct tms {
    clock_t tms_utime;   //user mode time
    clock_t tms_stime;   //system mode time
    clock_t tms_cutime;  //user time of children
    clock_t tms_cstime;  //system time of children
};

以时钟计时单元报告所有时间。这可以为分析某个正在执行的进程提供信息，包括其子进程的时间（如有）。

time和data命令

data命令可以用来显示或设定系统的日期与时间
其命令参数如下：

-d<字符串>：显示字符串所指的日期与时间。字符串前后必须加上双引号； 
-s<字符串>：根据字符串来设置日期与时间。字符串前后必须加上双引号； 
-u：显示GMT； 
--help：在线帮助； 
--version：显示版本信息。

指定输出
输出昨天的日期：

更改"a day ago"为" two days ago"可以输出两天前的日期
还可以精准到时-分-秒：
date -d "2 second" +"%Y-%m-%d %H:%M:%S"注意这里的second"要隔一个空格后才可以输入"%Y..."

格式转换：

除此之外，还可以进行时间的设定等...

参考了博客https://www.cnblogs.com/asxe/p/9317811.html可跳转查看，写的非常好~

time命令用于计算一个程序运行的时间,程序运行结束时，输出以下三个参数：　

• user：表示程序在用户态下执行的时间的总和
• system：表示程序执行完成花费的系统CPU时间，即程序在核心态中执行时间总和
• real：表示从开始到结束的实际花费时间

  它能做的不仅仅是测量运行时间，还可以测量内存、I/O等的使用情况。一个程序在运行时使用的系统资源通常包括CPU、Memory和I/O等，其中CPU资源的统计包括实际使用时间（real time）、用户态使用时间（the process spent in user mode）、内核态使用时间（the process spent in kernel mode）。

间隔定时器

  linux为每个进程提供了三种不同类型的间隔定时器，可用作进程定时器的虚拟时钟，间隔定时器由setitimer()系统调用创建。getitimer()系统调用返回间隔定时器的状态。
系统调用setitimer()创建一个间隔式定时器（interval timer），这种定时器会在未来某个时间点到期，并于此后(可选择的)每隔一段段时间到期一次

NAME
       getitimer, setitimer - get or set value of an interval timer

SYNOPSIS
       #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);

通过在调用 setitimer()时为 which 指定以下值，进程可以创建 3 种不同类型的定时器

值	描述
ITIMER_REAL	创建以真实时间倒计时的定时器。到期时会产生 SIGALARM 信号并发送给进程。
ITIMER_VIRTUAL	创建以进程虚拟时间（用户模式下的 CPU 时间）倒计时的定时器。到期时会产生信号SIGVTALRM。
ITIMER_PROF	创建一个 profiling 定时器，以进程时间（用户态与内核态 CPU 时间的总和）倒计时。到期时，则会产生 SIGPROF 信号

  进程只能拥有上述 3 种定时器中的一种。当第 2 次调用 setitimer()时，修改已有定时器的属性要符合参数 which 中的类型。如果调用 setitimer()时将new_value.it_value 的两个字段均置为 0，那么会屏蔽任何已有的定时器。
  对所有这些信号的默认处置（disposition）均会终止进程。除非真地期望如此，否则就需要针对这些定时器信号创建处理器函数
  参数 new_value 和 old_value 均为指向结构 itimerval 的指针，结构的定义如下：

(在＜sys/time.h＞中)定义：
struct itimerval {
    struct timeval it_inteirval; //是不是周期性定时器
    struct timeval it_value; //距离定时器到期的时间
}；
struct timeval (
    time_t tv_sec；
    suseconds_t tv_usec;	
)；

  参数new_value的下属结构it_value指定了距离定时器到期的延时时间；it_interval则说明该定时器是否为周期性定时器。如果it_interval的两个字段值均为0，那么该定时器就属于在it_value所指定的时间间隔后到期的一次性定时器。只要it_interval中的任何一个值为非0，那么在定时器到期之后，都会将定时器重置为在指定间隔后再次到期。
  若参数 old_value 不为 NULL，则以其所指向的 ``itimerval 结构来返回定时器的前一设置。如果 old_value.it_value 的两个字段值均为 0，那么该定时器之前处于屏蔽状态。如果old_value.it_interval 的两个字段值均为 0，那么该定时器之前被设置为历经 old_value.it_value 指定时间而到期的一次性定时器。对于需要在新定时器到期后将其还原的情况而言，获取定时器的前一设置就很重要。如果不关心定时器的前一设置，可以将 old_value 置为 NULL。

参考博客：https://blog.csdn.net/zhizhengguan/article/details/111828242

setitimer()代码示例：
每间隔1s，倒计时100毫秒触发handler

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
int count = 0;
struct itimerval t;
time_t start,end ;
void timer_handler(int sig){
      end =time(NULL);
      printf("timer_handler :  signal %d   count=%d  , diff: %ld \n",sig, ++count,end -start);
      start =  end;
      if( count >= 8){
          printf("cancel timer \n");
          t.it_value.tv_sec  =  0 ;
          t.it_value.tv_usec    =    0;
          setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &t , NULL);
      }
}
int  main(){
      struct itimerval timer ;
      signal (SIGVTALRM ,timer_handler);
      timer.it_value.tv_sec =  0;
      timer.it_value.tv_usec  = 100000;
      //every 1s afterward
      timer.it_interval.tv_sec = 1;
      timer.it_interval.tv_usec = 0;
      // start a virtual itimer
      start = time(NULL);
      setitimer( ITIMER_VIRTUAL , &timer ,NULL );
      printf("press Ctrl + C  to terminate \n");
      while(1);
}

运行结果如下：

REAL模式下间隔定时器

  VIRTUAL和PROF模式下的间隔计时器仅在执行进程时才有效。这类定时器的信息可保存在各进程的PROC结构体中。(硬件)定时器中断处理程序只需要访问当前运行进程的PROC结构体，就可以减少定时器计时，在定时结束时重新加载定时器计时，并向进程生成一个信号。操作系统内核不必使用额外的数据结构来处理进程的VIRTUAL和PROF定时器。但是，REAL模式间隔定时器各不相同，因为无论进程是否正在执行，它们都必须由定时器中断处理程序来更新。因此，操作系统内核必须使用额外的数据结构来处理进程的REAL模式定时器，并在定时器到期或被取消时采取措施。

定时器中断

整个基本系统在一个虚拟CPU上运行，它是一个Linux进程。定时器向Linux进程发出的信号可看作是对基本系统虚拟CPU的中断。

定时器队列

在基本系统中为任务添加间隔定时器支持。添加命令：

pause t：任务暂停t秒。
timer t：任务设置一个间隔为t秒的（REAL模式）间隔定时器。

pause命令会让一个任务休眠指定的秒数，在暂停时间到期时再唤醒该任务：设置间隔定时 器后，任务可以继续执行，当它的定时器到期时，信号将通知该任务。由于多任务处理系统 还不能生成和发送信号，我们假设任务在执行定时器命令后将进人休眠状态，当定时器过期 时，该任务将被唤醒，系统必须使用定时器队列来记录任务的REAL模式定时器状态. 定时器队列由定时器队列元素（TQE）的条目组成，格式为：

typedef struct tqe( 
struct tqe *next; 
PROC *proc; 
int time;
void (action)() 
)TQE;

TQE *timerQueue = 0;

  每个进程只能有一个REAL模式定时器，所以定时器队列的最大元素数量等于进程数量。当某进程请求REAL模式间隔定时器时，分配一个定时器队列元素来记录请求的进程、到期时间和定时器到期时所采取的操作。然后，它们会将定时器的中断输入timerQueue中。

临界区

  在基本代码系统中，只有一种执行实体，即任务，一次只执行一个任务。某任务在收到切换命令、进入休眠或退出之前，会一直执行下去。此外，任务切换只会发生在操作结束时，而不会发生在任何操作过程中。因此，任务之间没有竞争，因此在基本代码系统中没有临界区。
  但是，一旦我们将中断引人系统，情况就会改变。有两种类型的实体来执行中断,分别是任务和中断处理程序，它们可能会争夺系统中的同一(共享)数据对象。例如，当某任务请求间隔定时器时，必须将请求作为定时器队列元素输入timerQueue中。当某任务修改timerQueue 时,如果出现定时器中断，它将转移任务以执行中断处理程序，可能会改动同一timerQueue，造成竞态条件。因此，timerQueue是临界区，必须对它进行保护，以确保它一次只能由一个执行实体访问。同样，当某进程在sleep()函数过程中执行时，可能被转移到执行中断处理程序，即可执行wakeup()，以试图在进程完成休眠操作之前唤醒它，从而导致另一个竞态条件。所以，问题是如何防止任务和中断处理程序相互干扰。
  当某任务执行时，可能会发生定时器中断，将该任务转移到执行中断处理程序，这可能会干扰任务。为了防止出现这种情况，执行任务只需屏蔽临界区中的中断即可。