写在前面:时钟可以说是计算机的心脏,它是分时系统的基础。如果时钟反应到应用程序的层面,就是时间,很多应用程序都会涉及到时间处理。本文就来讨论一下计算机中的时钟与时间。
1、操作系统中的时间
在Unix/Linux系统中,有两个不同的时间:日历时间和进程时间。
(1)日历时间:
有些书上又叫系统时间。该值是自1970年1月1日00:00:00以来国际标准时间(U T C)所经过的秒数累计值(早期的手册称U T C为格林尼治标准时间)。在PC/AT微机系统中,支撑该时间的硬件是实时钟RT(Real Time)电路。操作系统在系统初始化的过程中,会从该电路中读取该时间,并保存在内核变量中。
来看看Linux1.0中相关的代码
extern long kernel_mktime(struct mktime * time);
//初始化时间
void time_init(void)
{
struct mktime time;
int i;
/* checking for Update-In-Progress could be done more elegantly
* (using the "update finished"-interrupt for example), but that
* would require excessive testing. promise I'll do that when I find
* the time. - Torsten
*/
/* read RTC exactly on falling edge of update flag */
for (i = 0 ; i < 1000000 ; i++) /* may take up to 1 second
![](https://www.cnblogs.com/Images/dot.gif)
if (CMOS_READ(RTC_FREQ_SELECT) & RTC_UIP)
break;
for (i = 0 ; i < 1000000 ; i++) /* must try at least 2.228 ms*/
if (!(CMOS_READ(RTC_FREQ_SELECT) & RTC_UIP))
break;
do { /* Isn't this overkill ? UIP above should guarantee consistency */
time.sec = CMOS_READ(RTC_SECONDS);
time.min = CMOS_READ(RTC_MINUTES);
time.hour = CMOS_READ(RTC_HOURS);
time.day = CMOS_READ(RTC_DAY_OF_MONTH);
time.mon = CMOS_READ(RTC_MONTH);
time.year = CMOS_READ(RTC_YEAR);
} while (time.sec != CMOS_READ(RTC_SECONDS));
if (!(CMOS_READ(RTC_CONTROL) & RTC_DM_BINARY) || RTC_ALWAYS_BCD)
{
BCD_TO_BIN(time.sec);
BCD_TO_BIN(time.min);
BCD_TO_BIN(time.hour);
BCD_TO_BIN(time.day);
BCD_TO_BIN(time.mon);
BCD_TO_BIN(time.year);
}
time.mon--;
xtime.tv_sec = kernel_mktime(&time);
}
//kernel/sched.c
//保存系统时间的内核变量
volatile struct timeval xtime; /* The current time */
//linux/mktime.h
struct mktime {
int sec; //秒
int min; //分钟
int hour; //小时
int day; //天
int mon; //月
int year; //年
};
//kernel/mktime.c
//计算1970年1月1日00:00:00以来秒的累计值
long kernel_mktime(struct mktime * time)
{
long res;
int year;
year = time->year - 70;
/* magic offsets (y+1) needed to get leapyears right.*/
res = YEAR*year + DAY*((year+1)/4);
res += month[time->mon];
/* and (y+2) here. If it wasn't a leap-year, we have to adjust */
if (time->mon>1 && ((year+2)%4))
res -= DAY;
res += DAY*(time->day-1);
res += HOUR*time->hour;
res += MINUTE*time->min;
res += time->sec;
return res;
}
//linux/time.h
struct timeval {
long tv_sec; /* seconds */
long tv_usec; /* microseconds */
};
(2)进程时间
该时间用来度量进程使用CPU的时间。
来看看Linux 1.0中相应的代码:
//内核任务的结构定义
struct task_struct{
//…
//依次为:用户CPU时间,系统CPU时间,子进程用户CPU时间,子进程系统CPU时间,
//进程开始运行时间
long utime,stime,cutime,cstime,start_time;
//…
}
当度量一个进程的执行时间时,Unix系统使用三个进程时间值:
• 时钟时间。
• 用户C P U时间。
• 系统C P U时间。
要取得任一进程的时钟时间、用户时间和系统时间很容易——只要执行命令 t i m e ( 1 ),其参数是要度量其执行时间的命令,例如:
$ cd /usr/include
$ time grep _POSIX_SOURCE */*.h > /dev/null
real 0m19.81s
user 0m0.43s
sys 0m4.53s
t i m e命令的输出格式与所使用的s h e l l有关。
该时间的支撑硬件在PC机中是可编程定时芯片Intel8253(8254)。8254芯片的时钟输入频率是1193180,我们通过设定一定的初始计数值(LATCH),默认值为65535,就能控制该芯片的输出频率,默认为1193180/65535hz,例如,假定LATCH=1193180/100,我们就能保证输出频率为100hz,即周期为10ms,我们称为系统的时钟周期,或者1个系统滴答。这样,1个系统的滴答就为10ms,这也Linux的默认值。
8254芯片每经过一个滴答时间,就会向CPU发出一个时钟中断。Linux会在时钟中断处理过程增加内核变量jiffies值,该值累计系统开机以来的经过的时钟滴答数。
Linux 1.0中的代码:
unsigned long volatile jiffies=0; //累计系统开机以来的滴答数
2、标准C库中的时间函数
typedef long int __time_t;
//time.h
typedef __clock_t clock_t;
#define CLOCKS_PER_SEC …
typedef __time_t time_t;
extern clock_t clock __P ((void));
extern time_t time __P ((time_t *__timer));
clock函数返回当前进程的使用处理器的时间的近似值,每秒的的时钟滴答数用宏CLOCKS_PER_SEC定义。
在传统的C语言中,clock函数返回的类型为long(如上),但返回值实际上为unsigned long类型,long是在C语言加入unsigned long之前使用的。计算处理器时间总是使用无符号数算术。一些非标准实现中使用times函数,而不是clock函数,其返回的结构化值报告处理器时间的各个成员,通常以1/60秒为单位。如下:
struct tms
{
clock_t tms_utime; /* User CPU time. */
clock_t tms_stime; /* System CPU time. */
clock_t tms_cutime; /* User CPU time of dead children. */
clock_t tms_cstime; /* System CPU time of dead children. */
};
/* Store the CPU time used by this process and all its
dead children (and their dead children) in BUFFER.
Return the elapsed real time, or (clock_t) -1 for errors.
All times are in CLK_TCKths of a second. */
extern clock_t times __P ((struct tms *__buffer));
标准C中函数time返回当前的日历时间,返回值类型为time_t。
extern char *asctime __P ((__const struct tm *__tp));
/* Equivalent to `asctime (localtime (timer))'. */
extern char *ctime __P ((__const time_t *__timer));
这两个函数都返回时间的字符串的形式。
/* Return the `struct tm' representation of *TIMER
in Universal Coordinated Time (aka Greenwich Mean Time). */
extern struct tm *gmtime __P ((__const time_t *__timer));
/* Return the `struct tm' representation
of *TIMER in the local timezone. */
extern struct tm *localtime __P ((__const time_t *__timer));
/* Used by other time functions. */
struct tm
{
int tm_sec; /* Seconds. [0-60] (1 leap second) */
int tm_min; /* Minutes. [0-59] */
int tm_hour; /* Hours. [0-23] */
int tm_mday; /* Day. [1-31] */
int tm_mon; /* Month. [0-11] */
int tm_year; /* Year - 1900. */
int tm_wday; /* Day of week. [0-6] */
int tm_yday; /* Days in year.[0-365] */
int tm_isdst; /* DST. [-1/0/1]*/
#ifdef __USE_BSD
long int tm_gmtoff; /* Seconds east of UTC. */
__const char *tm_zone; /* Timezone abbreviation. */
#else
long int __tm_gmtoff; /* Seconds east of UTC. */
__const char *__tm_zone; /* Timezone abbreviation. */
#endif
};
gmtime与localtime将日历时间转换成stuct tm类型的分解形式,只不过前者转换成GMT时间,而后者转换成本地时间。