每天进步一点点——Linux系统时间来处理

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在程序中时间处理往往是一个麻烦的事。Linux系统提供了非常多关于时间处理的函数，我们能够用这些函数来完毕我们所须要的功能。那么在程序中通常会关心哪些时间问题呢？

• 真实时间：程序执行的时间，即程序启动到程序消亡所用时间或程序执行到如今所经过的时间
• 进程时间：一个进程所使用的CPU时间总量。适用于对程序、算法性能的检查或优化

本文仅仅关注真实时间的处理与转换

一、Epoch

不管地理位置怎样，Linux系统内部对时间的表示方式均是以自Epoch以来的秒数来度量的，Epoch即通用协调时间（UTC。曾经也称为格林威治标准时间。或GMT）的1970年1月1日零点零分零秒。

这大致也是UNIX系统问世的时间。

该时间可存储于time_t类型的变量中。

在32位Linux系统中。time_t是一个有符号整数，能够表示的日期范围从1901年12月13日20时45分52秒至2038年1月19日03:14:07。因此，32位系统的机器都将面临2038年的问题。当然这我们不必操心。到了2038年，我相信这些系统早已升级为64位或者很多其它位的系统了。

只是有些寿命更长的嵌入式设备，可能还会受到此问题的影响。

二、时间转换函数

例如以下图所看到的，存储于time_t变量的数值能够和其它时间格式相互转换，当中还包括打印输出。

这些函数屏蔽了因时区、夏令时（DST）制和本地化等问题给转换所带来的种种复杂

          

三、函数具体解释

    1. 系统调用gettimeofday()，用于tv指向的缓冲中返回日历时间。其声明例如以下

#include <sys/time.h>

// Return 0 on success, or -1 on error

int gettimeofday (struct timeval* tv, struct timezone* tz);

tv所指向的结构体例如以下

struct timeval {

    time_t          tv_sec;          /* Seconds since 00:00:00, 1 Jan 1970 UTC*/

    susecond_t   tv_usec;        /* Additional microseconds (long int)*/

};

gettimeofday()函数提供到微秒级的精度并存储于tv_usec中，这种精度对大多数程序来说已经可以满足。

在x86-64平台上，gettimeofday()不是系统调用，而是在用户态实现的，没有上下文切换和陷入内核的开销，因此其速度是比較快的[1]。

參数tz是一个历史产物，在早期的UNIX系统实现中使用其来获取系统的时区信息，眼下已被废弃。因此在调用时始终置为NULL。

    2. 系统调用time()，其返回自Epoch以来的秒数。声明例如以下

#include <time.h>

// Returns number of seconds since the Epoch, or (time_t)-1 on error

time_t time (time_t* timep);

假设timep參数不为NULL，那么还会将自Epoch以来的的秒数置于timep所指向的位置中。可是在日常使用中我们都採用简单的调用方式t = time (NULL)。从函数说明上能够得知gettimeofday()的准确度要比time()要高。

    3.  time_t可用于存储Epoch到如今的秒数。这个数值很不便于我们直接解释，由于我们更easy接受的是MM-DD-YY HH:MIN:SS的形式。Linux中提供了简单的ctime()函数来处理time_t的转换

#include <time.h>

// Returns pointer to statically allocated string terminated by newline and on success, or NULL on error

char* ctime (const time_t* timep);

把一个指向time_t的指针作为timep參数传入函数，将返回一个长达26个字节的字符串，内含标准格式的日期和时间，例如以下：

    Wed May  14  15:22:34  2014

该字符串包括换行符合终止空字节各一。ctime()函数在进行行转换时会自己主动对本地时区和DST设置加以考虑。返回的字符串经由静态分配的。因此无需调用free函数，正因如此。该函数是不可重入的（非线程安全的）。线程安全的版为ctime_r()。

    4. time_t与struct tm之间的转换

struct tm {

    int tm_sec;      /*Seconds (0-60)*/

    int tm_min;     /*Minites (0-59)*/

    int tm_hour;   /*Hours (0-23)*/

    int tm_mday;  /*Day of the month (1-31)*/

    int tm_mon;   /*Month (1-12)*/

    int tm_year;    /*Year since 1900*/

    int tm_wday;   /*Day of the week (Sunday = 0)*/

    int tm_yday;    /*Day in the year (0-365; 1 Jan = 0)*/

    int tm_isdst;    /*Daylight saving time flag > 0: DST is in effect; = 0: DST is not effect; < 0: DST information not available*/
};

结构体tm将日期和时间分解成多个独立的字段，这样能方便程序获取不同的字段值来处理。

字段tm_sec的上限为60而不是59。这种设计主要是考虑闰秒。偶尔用其将人类日历调整至精确的天文年（所谓的回归年）。假设程序中定义了_BSD_SOURCE測试宏，那么有glibc定义的tm结构还会包含两个字段，一个为long int tm_gmtoff。用于表示时间超出UTC以东的秒数，一个为const char* tm_zone，用于表示时区的缩写（比如：CEST为欧洲中部夏令时间）。

gmtime()和localtime()两个函数可将time_t转换成struct tm。gmtime()直接将time_t分解成UTC时间的tm，localtime()须要考虑时区和夏令时的设置，详细声明例如以下：

#include <time.h>

// Both return a pointer to a statically allocated broker-down time structure on success, or NULL on error

struct tm* gmtime (const time_t *timep);

struct tm* localtime (const time_t *timep);

以上两个函数都是非线程安全的，线程安全版本号为gmtime_r()和localtime_r()

mktime()函数能够将struct tm转换成time_t，其声明例如以下：

#include <time.h>

// Returns seconds since the Epoch corresponding to timeptr on success, or (time_t)-1 on error

time_t mktime (struct tm *timeptr);

该函数可能会改动timeptr相应的值，至少会确保对tm_wday和tm_yday字段的设置，确保这些字段与其它字段可以相互相应起来。

同一时候，mktime()在进行转换时会对时区进行设置。此外，DST设置的使用与否取决于输入字段tm_isdst的值。

• 若tm_isdst为0，则将这一时间视为标准时间（即，忽略夏令时）
• 若tm_isdst大于0，则将这一时间视为夏令时
• 若tm_isdst小于0，则试图判定DST在每年的这一时间是否生效。这往往是众望所归的设置

    5. 将struct tm转化易于理解的字符串

#include <time.h>

// Returns pointer to statically allocated string terminated by newline and on success, or NULL on error

char* asctime (const struct tm *timeptr);

与ctime()相比，本地时区的设置对asctime()没有影响。

其返回的指针所指向的是由静态分配的字符串，因此其不是线程安全的，线程安全的版本号为asctime_r()，输出结果大概例如以下：

    Wed May  14  16:43:21 CET 2014

asctime()函数返回的是一个固定形式的字符串。有时为了更易于理解，程序不想仅局限于这种字符串，于是Linux中提供了strftime()函数，声明例如以下：

#include <time.h>

// Returns number of bytes placed in outstr (excluding terminating null bytes) on success, or 0 on error

size_t strftime (char *outstr, size_t maxsize, const char *format, const struct tm *timeptr);

outstr中返回的字符串依照format參数定义的格式做了格式化，maxsize则是ourstr的最大长度，假设成功则将格式化后的内容写入outstr所指向的缓冲区中。然后返回字符串的真实长度。含终止空字节，假设真实长度超过了maxsize參数的大小，那么返回0以表示出错。且无法确定outstr的内容。

參数format是一个字符串，类似于printf()參数。

具体值在此不做具体解释，能够google。

strptime()函数与strftime()函数正好相反。其能够将包括日期和时间的字符串转换成struct tm，声明例如以下：

#define _XOPEN_SOURCE

#include <time.h>

// Returns pointer to next unprocessed character in str on success, or NULL on error

char* strptime (const char *str, const char *format, struct tm *timeptr);

函数strptime()依照format參数内容对由日期和时间组成的字符串str加以解析，并将转换后的数值存储于timeptr所指的缓存中。假设成功。返回指向str中下一个还未解析过的字符。假设所给的str无法和format相相应。则会解析失败，返回NULL。以示错误。最后还需注意，strptime()函数不会设置tm中的tm_isdst字段。

四、时区

不同的国家使用不同的时区和夏时制，对于要输入输出时间的程序来说，必须对时区进行考虑，尤其是全球的分布式系统。出于时区信息太多，Linux系统没有直接将其编码于程序或函数库中，而是以标准格式存储于文件。这些文件位于/usr/share/zoneinfo文件夹里。系统的本地时区则由文件/etc/localtime定义，其一般是一个链接到/usr/share/zoneinfo下的文件。

时区文件格式记叙于tzfile(5)手冊页，其创建可通过zic(8)（时区信息编译器。zone information compiler）工具来完毕。zdump(8)命令可依据指定时区文件里的时区来显示当前时间

为执行的程序指定一个时区，须要将TZ设置环境变量为一个冒号(:)和时区名称组成的字符串，当中时区名称定义于/usr/share/zoneinfo中。时区的设置会影响到ctime()、localtime()、mktime()、strftime()等函数，为了获取时区设置，这些函数都会调用tzset(3)对例如以下全局变量进行设置：

char *tzname[2];     /*Name of timezone and alternate (DST) timezone*/

int daylight;            /*Nonzero if there is an alternate (DST) timezone*/

long timezone;       /*Seconds difference between UTC and local standard time*/

五、总结

多种系统调用同意我们获取和设置系统的时间，以及一系列的库函数能够使我们完毕各种时间表示法之间的转换。Linux是非实时的多任务操作系统，假设我们在程序中想全然精确的计时和定时时无法做到的，由于当前任务可能会被CPU随时切换出去。可是在日常的时间处理中，以上这些函数已经足够满足需求了。

本文没有涉及到所讲述的函数用例，如有在程序中使用到这些函数，能够百度或者google，再者你能够查看https://github.com/ApusApp/Swift/tree/master/swift/base中关于时间处理的实现。

參考

[1] http://lwn.net/Articles/446528

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