Linux/Uinx 系统编程：定时器以及时钟同步

本章讨论了定时器和定时器服务;介绍了硬件定时器的原理和基于Intel x86 的PC中的硬件定时器;讲解了CPU操作和中断处理;描述了Linux中与定时器相关的系统调用、库函数和定时器服务命令;探讨了进程间隔定时器、定时器生成的信号，并通过示例演示了进程间隔定时器。编程项目的目的是要在一个多任务处理系统中实现定时器、定时器中断和间隔定时器。

多任务处理系统作为一个Linux 进程运行，该系统是Linux进程内并发任务的一个虚拟CPU。Linux 进程的实时模式间隔定时器被设计为定期生成 SIGALRM信号，充当虚拟CPU的定时器中断，虚拟CPU使用SIGALRM信号捕捉器作为定时器的中断处理程序。

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

基于Intel x86的个人计算机有数个定时器（Bovet 和 Cesati 2005）。

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。
可编程间隔定时器（PIT）（Wang 2015）∶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。
多核CPU中的本地定时器（（Intel 1997;Wang 2015）∶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。
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。由干不同系统主板的时钟频率可能不同、TSC 不活合作为实时设备，但它可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。

堆栈是CPU用于特殊操作（如 push、pop调用和返回等）的一个内存区域。CPU操作可通过无限循环进行建模。

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。如果有挂起的中断请求，但是CPU未处于接受中断的状态，即它的状态寄存器已经屏蔽了中断，CPU会忽略中断请求。继续执行下二条指令。

否则，它将直接执行中断处理。在中断处理结束时，它将恢复指令的正常执行。中断处理和异常处理都在操作系统内核中进行。在大多数情况下，用户级程序无法访问它们，但它们是理解操作系统（如 Linux）定时器服务和信号的关键。

中断处理

外部设备（如定时器）的中断被馈送到中断控制器的预定义输入行（Intel 1990;Wang 2015），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（IRQ）路由到 CPU。

在每条指令执行结束时，如果CPU未处于接受中断的状态，即在 CPU 的状态寄存器中屏蔽了中断，它将忽略中断请求，使其处于挂起状态，并继续执行下一条指令。

如果CPU处于接受中断状态，即中断未被屏蔽，那么 CPU将会转移它正常的执行顺序来进行中断处理。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。

在获取中断向量号后，CPU用它作为内存中中断向量表（AMD64）中的条目索引，条目包含一个指向中断处理程序人口地址的指针来实际处理中断。当中断处理结束时，CPU恢复指令的正常执行。

时钟服务函数

在几乎所有的操作系统（OS）中，操作系统内核都会提供与时钟相关的各种服务。时钟服务可通过系统调用、库函数和用户级命令调用。包括**gettimeofday-settimeofday系统调用、time和times系统调用、time和date**命令。

gettimeofday系统调用

简介：在C语言中可以使用函数gettimeofday来得到时间。它的精度可以达到微秒。
函数原型：

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

说明：gettimeofday会把目前的时间用tv结构体返回，当地时区的信息则放到tz所指的结构中。

结构体：

timeval

struct timeval {long tv_sec; /*秒*/long tv_usec; /*微妙*/
};

timezone

struct timezone {int tz_minuteswest; /*和greenwich时间差了多少分钟*/int tz_dsttime; /*type of DST correction*/
};

settimeofday系统调用

简介：settimeofday函数用于设置当前时间。
函数原型：

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

说明：settimeofday会设置当前时间，时间由tv指向的结构体提供，时区由tz指向的结构体提供。
结构体：同gettimeofday函数。

注意：这两个函数需要root权限才能使用。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <stdlib.h>int main()
{float time_use=0;struct timeval start;struct timeval end;gettimeofday(&start,NULL); //gettimeofday(&start,&tz);结果一样printf("start.tv_sec:%d\n",start.tv_sec);printf("start.tv_usec:%d\n",start.tv_usec);int i = 100000000;while(i--);gettimeofday(&end,NULL);printf("end.tv_sec:%d\n",end.tv_sec);printf("end.tv_usec:%d\n",end.tv_usec);time_use=(end.tv_sec-start.tv_sec)*1000000+(end.tv_usec-start.tv_usec);//微秒printf("time_use is %.10f\n",time_use);
}

间隔定时器

Linux为每个进程提供了三种不同类型的间隔计时器，可用作进程计时的虚拟时钟。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。

int getitimer(int which,struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which,const struct itimerval *new_value,
struct itimerval *old_value);

各间隔定时器在参数which指定的不同时间域中工作。当间隔定时器定时到期时，会向进程发送一个信号，并将定时器重置为指定的间隔值(如果是非零数)。一个信号就是发送给某个进程进行处理的一个数字(1到31)。

有3类间隔定时器，分别是:

ITIMER_REAL:实时减少，在到期时生成一个SIGALRM(14)信号。
ITIMER_VIRTUAL:仅当进程在用户模式下执行时减少，在到期时生成一个SIGVTALRM(26)信号。
ITIMER_PROF:当进程正在用户模式和系统(内核）模式下执行时减少。这类间隔定时器与**ITIMER_VIRTUAL**结合使用，通常用于分析应用程序在用户模式和内核模式下花费的时间。它在到期时生成一个SIGPROF（27）信号。

具体有关信号的内容，将来会发布在同专栏系列中。

间隔定时器的值用以下结构体(在<sys/time.h>中定义):

struct itimerval {struct timeval it_interval;  // 下次定时器到期的时间间隔struct timeval it_value;     // 定时器首次到期的时间
};struct timeval {time_t      tv_sec;          // 秒suseconds_t tv_usec;         // 微秒
};

其中，it_value表示定时器首次到达定时时间的时长。如果此值为0，则定时器将被禁用。it_interval表示定时器到期后，再次到期的时间间隔。如果此值为0，则定时器只会在it_value所指定的时间后触发一次。如果it_interval不为0，则定时器将会每隔it_interval所指定的时间触发一次。

这两个字段都是timeval结构体，包含两个成员：tv_sec和tv_usec。tv_sec表示秒数，tv_usec表示微秒数。这两个字段共同指定了时间长度。例如，如果tv_sec为2，tv_usec为500000，那么总的时间长度就是2.5秒。