[原]展开了谈谈时间函数gettimeofday

winston

我们在程序中会频繁地取当前时间，例如处理一个http请求时，两次调用gettimeofday取差值计算出处理该请求消耗了多少秒。这样的调用无处不在，所以我们有必要详细了解下，gettimeofday这个函数做了些什么？它可以精确到微秒吗？它的成本有多大？如果在系统繁忙时，频繁的调用它有问题吗？

gettimeofday毫无疑问是C库提供的函数，然后这个函数却是封装了sys_gettimeofday系统调用，就是说，执行这个函数，必然执行一次系统调用。接下来，我来试着回答以上4个问题。


一、gettimeofday做了些什么？
它把内核保存的墙上时间和jiffies综合处理后返回给用户。解释下墙上时间和jiffies是什么：1、墙上时间就是实际时间（1970/1/1号以来的时间），它是由我们主板电池供电的（装过PC机的同学都了解）RTC单元存储的，这样即使机器断电了时间也不用重设。当操作系统启动时，会用这个RTC来初始化墙上时间，接着，内核会在一定精度内根据jiffies维护这个墙上时间。2、jiffies就是操作系统启动后经过的时间，它的单位是节拍数。有些体系架构，1个节拍数是10ms，但我们常用的x86体系下，1个节拍数是1ms。也就是说，jiffies这个全局变量存储了操作系统启动以来共经历了多少毫秒。我们来看看gettimeofday是如何做的。首先它调用了sys_gettimeofday系统调用。

3. asmlinkage long sys_gettimeofday(struct timeval __user *tv, struct timezone __user *tz)
4. {
5.         if (likely(tv != NULL)) {
6.                 struct timeval ktv;
7.                 do_gettimeofday(&ktv);
8.                 if (copy_to_user(tv, &ktv, sizeof(ktv)))
9.                         return -EFAULT;
10.         }
11.         if (unlikely(tz != NULL)) {
12.                 if (copy_to_user(tz, &sys_tz, sizeof(sys_tz)))
13.                         return -EFAULT;
14.         }
15.         return 0;
16. }

复制代码

大家看到，它调用do_gettimeofday函数取到当前时间存储到局部变量ktv上，然后调用copy_to_user把结果复制到用户空间。每个体系都有自己的实现，我这里就简单列下x86_64体系下do_gettimeofday的实现：void do_gettimeofday(struct timeval *tv)

2. {
3.         unsigned long seq, t;
4.         unsigned int sec, usec;
6.         do {
7.                 seq = read_seqbegin(&xtime_lock);
9.                 sec = xtime.tv_sec;
10.                 usec = xtime.tv_nsec / 1000;
12.                 /* i386 does some correction here to keep the clock
13.                    monotonous even when ntpd is fixing drift.
14.                    But they didn't work for me, there is a non monotonic
15.                    clock anyways with ntp.
16.                    I dropped all corrections now until a real solution can
17.                    be found. Note when you fix it here you need to do the same
18.                    in arch/x86_64/kernel/vsyscall.c and export all needed
19.                    variables in vmlinux.lds. -AK */
21.                 t = (jiffies - wall_jiffies) * (1000000L / HZ) +
22.                         do_gettimeoffset();
23.                 usec += t;
25.         } while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));
27.         tv->tv_sec = sec + usec / 1000000;
28.         tv->tv_usec = usec % 1000000;
29. }

复制代码

二、gettimeofday可以精确到微秒吗？

不可以，上面说了，它最终的精确是由jiffies全局变量决定的，而jiffies的单位是节拍数，节拍数又是跟体系结构对应的。目前，x86-64的节拍数是1ms，所以，我们取到的当前时间精度只到毫秒，而且会有正负0.5毫秒的误差。

那么，为什么不能精确到微秒或者纳秒呢？难道cpu现在号称nGHZ都是假的吗？
呵呵，是真的，但是时钟的维护不可能精确到指令级的。时钟就是靠jiffies变量维护的，jiffies是通过时钟中断来维护的。所以，当我们需要更精确的时间精度时，就意味着在一秒钟会有更多的时钟中断需要内核处理，这会加大操作系统的负担。以前，是10ms一个节拍数，意味着时间精度只到10ms。现在随着每秒钟CPU可以处理更多的指令，大部分体系架构下，都是1ms一个节拍数，这意味着目前大家觉得，1秒钟发送1000个时钟中断最平衡。每个时钟中断来临时，中断处理程序会更新jiffies这个变量。

三、它的成本有多大？如果在系统繁忙时，几毫秒调用一次有问题吗？
最上面已经说了，这是个系统调用！最简单的系统调用都有无法避免的成本：陷入内核态。当我们调用gettimeofday时，将会向内核发送软中断，然后将陷入内核态，这时内核至少要做下列事：处理软中断、保存所有寄存器值、从用户态复制函数参数到内核态、执行、将结果复制到用户态。这些都是成本！
而且，它本身的精度是1ms处理一次CPU的时钟中断，精度也只到毫秒，如果我们只是几毫秒就调用一次，就有点得不偿失了。所以，当我们的代码中在运行时非常频繁的调用gettimeofday时，请思考下，是否每次都有必要？是否需要缓存下这个值在用户空间呢？学学nginx或者JVM吧。

四、关于jiffies值得一提的两点
先看看它的定义：

volatile unsigned long __jiffies;
只谈两点。
1、它用了一个C语言里比较罕见的关键字volatile，这个关键字用于解决并发问题。C语言编译器很喜欢做优化的，它不清楚某个变量可能会被并发的修改，例如上面的jiffies变量首先是0，如果首先一个CPU修改了它的值为1，紧接着另一个CPU在读它的值，例如 __jiffies = 0; while (__jiffies == 1)，那么在内核的C代码中，如果不加volatile字段，那么第二个CPU里的循环体可能不会被执行到，因为C编译器在对代码做优化时，生成的汇编代码不一定每次都会去读内存！它会根据代码把变量__jiffies设为0，并一直使用下去！而加了volatile字段后，就会要求编译器，每次使用到__jiffies时，都要到内存里真实的读取这个值。

2、它的类型是unsigned long，在32位系统中，最大值也只有43亿不到，从系统启动后49天就到达最大值了，之后就会清0重新开始。那么jiffies达到最大值时的回转问题是怎么解决的呢？或者换句话说，我们需要保证当jiffies回转为一个小的正数时，例如1，要比几十秒毫秒前的大正数大，例如4294967290，要达到jiffies(1)>jiffies(4294967290)这种效果。
内核是通过定义了两个宏来解决的：

#define time_after(a,b)                \        (typecheck(unsigned long, a) && \         typecheck(unsigned long, b) && \         ((long)(b) - (long)(a) < 0))#define time_before(a,b)        time_after(b,a)
很巧妙的设计！仅仅把unsigned long转为long类型后相减比较，就达到了jiffies(1)>jiffies(4294967290)效果，简单的解决了jiffies的回转问题，赞一个。

作者：russell_tao 发表于2012-1-9 14:14:17 原文链接