1. Linux中time相关概念

1.1 real time

指的是实际流逝的时间，又称为Wall Clock Time（墙上时间）。

比如，time命令统计出的real time指的是该进程从开始运行到运行结束所消耗的时间。在这段时间内不仅仅执行了该进程，其他进程的时间片也得到了轮转。

1.2 process time

指的是执行某进程所消耗的CPU time。CPU time指的是执行该进程有关代码所花的时间，分为User CPU time和System CPU time两部分。

User CPU time指的是在用户态执行该进程的代码所花费的时间，不统计该进程阻塞花费的时间，也不统计其他进程的时间片。

System CPU time指的是在内核态执行该进程的代码所花费的时间，不统计该进程阻塞花费的时间，也不统计其他进程的时间片。。

其实，我觉得“该进程阻塞花费的时间”和“其他进程的时间片” 是一个意思。因为，进程阻塞时，内核会调度其他进程执行，所以我觉得这两个是一个意思。

需要注意，Real time != User CPU time + System CPU time。两个原因：

1. 对于多核处理器上跑的多线程程序，会出现real time < User CPU time + System CPU time的情况。
2. 毕竟计算机上不止一个进程在跑，real time中还统计了其他进程的时间片。

1.3 hardware clock

指计算机中电池供电的硬件时钟，记录了当前的墙上时间，又被称为RTC（Real Time Clock）。内核在启动时会读取该硬件时钟，来初始化内核中的软件时钟（Software Clock）。

1.4 software clock, HZ, and jiffy

software clock指的是内核维护的软件时钟。需要设置timeout的系统调用（例如，select，sigtimedwait）以及测量cpu time的系统调用（例如，getrusage）的准确度（accuracy）由软件时钟的精度（precision / resolution）决定。

Linux内核维护的软件时钟的精度是jiffy，也就是说软件时钟用jiffy衡量时间。jiffy对应的real time由内核中的常量HZ决定，jiffy = 1 / HZ。HZ的值可人为调节，可取的值在不同的内核版本和不同的硬件平台下也不一样。在i386平台下，内核版本2.6.0后，HZ的取值可以达到1000，意味着jiffy对应0.001秒。

那么为什么设置timeout的系统调用和测量cpu time的系统调用的准确度受jiffy的限制呢？原因如下。

cpu里面有可编程间隔定时器PIT，（Programmable interval timer），目前x86-64/arm/8051-based的绝大多数cpu/mcu都是内置PIT的，PIT以一个可调节的时间间隔，即jiffy，触发时钟中断，使得操作系统的时钟中断处理程序可以可调节地周期性运行。时钟中断处理程序负责维护所有的软件定时器，在当前进程的时间片用光，或有定时器触发时执行进程调度(线程调度)。时钟中断处理程序还负责维护软件时钟。因此，软件时钟的精度以及timer相关系统调用的精度都由jiffy限制。

1.5 High-resolution timers

在内核版本2.6.21之前，timer and sleep system calls 的准确度由jiffy限制。自从内核版本2.6.21之开始，Linux开始支持高精度定时器（High-resolution timers, HRTs）。

在支持HRTs的系统上，timer and sleep system calls 的准确度不再受jiffy限制，可以达到硬件级别的准确度。可以通过clock_getres()返回的时钟的精度判断系统是否支持高精度定时器。

sleep system calls 包括：nanosleep(2), clock_nanosleep(2), sleep(3).

timer system calls包括： alarm(2), getitimer(2), timerfd_create(2), timer_create(2).

1.6 Epoch

Unix系统使用从1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC)到现在的秒数表示时间。1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC)这个时间点称为Epoch。

2. 获取时间

2.1 结构体

目前所知，表示时间只有两种结构体timeval和timespec，它们的区别主要是精度不同，有些函数的参数使用timeval，有些使用timespec。

struct timeval { 
    time_t tv_sec;       /* seconds */   
    suseconds_t    tv_usec;        /* microseconds */
}; 

struct timespec {    
    time_t tv_sec;   /* seconds */ 
    long   tv_nsec;    /* nanoseconds */   
};

2.2 函数

Linux中获取时间的函数有多种，这里我只提gettimeofday()和clock_gettime()。

2.2.1 gettimeofday()

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

gettimeofday()是系统调用，用于获取从Epoch开始到现在的时间，精度是微秒。

各种资料表明，gettimeofday()读取的是内核中的xtime变量的值，xtime每个时钟中断更新一次，其精度受限于jiffy。既然是这样，那么为什么gettimeofday()的精度是微秒呢？经过我查阅资料，jiffy虽然会影响软件时钟的精度，但是gettimeofday()不是简单地读取xtime，gettimeofday()的实现仍然会依赖于硬件时钟。更具体的解释请查看[7]。

我个人认为，gettimeofday()的精度和内核是否支持高精度定时器并没有关系。一个是读取时间，一个是定时器，两者是不同的概念。查阅资料，没发现有人明确讲这个，以后遇到了再做补充吧。

2.2.2 clock_gettime()

int clock_getres(clockid_t clk_id, struct timespec *res);
int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);
int clock_settime(clockid_t clk_id, const struct timespec *tp);

通过上面的接口可以访问多个时钟，这些时钟表示不同的含义。上面的接口中，用户需要通过clk_id指定对哪个时钟进行操作。其中clock_gettime()可以获取指定时钟的时间，clock_getres()可以获取指定时钟的精度。这些时钟的更新原理并不清楚，但是可以肯定的是，其精度和内核是否支持高精度定时器密切相关。因为，多个资料提到可以使用clock_getres()得到的精度判断内核是否支持高精度定时器。

clk_id的值：

• CLOCK_REALTIME 墙上时间，真实的时间，但是受系统时钟（system clock）改变的影响，例如用户调用adjtime函数改变了系统时钟，那么该墙上时间就会随之改变。
• CLOCK_MONOTONIC 该时钟用于测量相对的real time，该时钟和实际的时间相同的速度流逝，并且不被系统时钟（system clock）的手动/自动改变所影响。
• CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID 用于测量进程所用的CPU time。
• CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID 用于测量线程所用的CPU time。

int timer_create (clockid_t clockid, struct sigevent *evp, timer_t *timerid);

该系统调用用于创建定时器，参数clk_id用于指定该定时器使用的时钟。该系统调用创建的定时器是高精度定时器。因此，我们使用clock_getres()得到的精度肯定应该小于jiffy。这就印证了之前说的，可以通过clock_getres()查看时钟的精度来判断内核是否支持高精度定时器。我自己使用clock_getres()测试的各时钟的精度是1ns，表示内核支持高精度定时器。

3. 某些系统调用的time accuracy

1. sleep的参数是秒，accuracy可以达到1秒。Linux下其由nanosleep实现，
2. usleep的参数是微秒，但是有人说其accuracy不是微秒，说它仍是由时间中断实现的，本人还没有找到资料证明usleep究竟有没有使用HRTs。
3. nanosleep的参数是纳秒，其由HRTs实现，使用CLOCK_MONOTONIC测量时间，不受jiffy限制，accuracy具体可以达到多少不清楚，但是应该可以达到微秒级别。
4. select的参数是微秒，别人测试accuracy可以达到微秒，有人说其由HRTs实现，但是本人未找到更具体的资料。

因此，选择延时函数应该一步到位直接用nanosleep。

4. Reference

1. Measure time in Linux - time vs clock vs getrusage vs clock_gettime vs gettimeofday vs timespec_get?

2. Alarm, sleep and High Resolution Timers

3. Linux时钟精度：毫秒？微妙？纳秒？

4. What specifically are wall-clock-time, user-cpu-time, and system-cpu-time in UNIX?

5. What do 'real', 'user' and 'sys' mean in the output of time(1)?

6. time(7) - Linux man page

7. How is the microsecond time of linux gettimeofday() obtained and what is its accuracy?

8. 操作系统的时间函数是怎么实现的？

9. 关于linux下时间延迟函数精度问题

10. ACCURACY VS RESOLUTION: IT'S THE LITTLE THINGS