第五章 定时器及时钟服务
知识点总结
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。
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).
(1）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。
(2）可编程间隔定时器(PIT)(Wang2015):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IO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。
(3)多核CPU中的本地定时器（Intel1997;Wang2015):在多核CPU中，每个核都是一个独立的处理器,它有自已的本地定时器，由 CPU时钟驱动。
(4）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。由于不同系统主板的时钟频率可能不同，TSC不适合作为实时设备，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。
while (power-on){
(1). fetch instruction:load*PC as instruction,increment PC to point to the
next instruction in memory;
(2). decode instruction: interpret the instruction's operation code and
generate operandis;
(3). execute instruction: perform operation on operands,write results to
memory if needed; execution may use the stack,implicitly change PC, etC.
(4) . check for pending interrupts; may handle interrupts;
}
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，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。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 20I1）中的条目索引，条目包含一个指向中断处理程序入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linux下，常用的获取时间的函数有如下几个：
asctime, ctime, gmtime, localtime, gettimeofday ，
mktime, asctime_r, ctime_r, gmtime_r, localtime_r
1）time() 函数获取当前时间
SYNOPSIS
#include <time.h>
time_t time(time_t *t);
DESCRIPTION
time() returns the time as the number of seconds since the Epoch, 1970-01-01 00:00:00+0000
(UTC).8 //此函数会返回从公元1970年1月1日的UTC时间从0时0分0秒算起到现在所经过的秒数。如果t 并非空指针的话，此函数也会将返回值存到t指针所指的内存。
RETURN VALUE
On success, the value of time in seconds since the Epoch is returned. On error, ((time_t) -1) is returned, and errno is
set appropriately.
ERRORS
EFAULT t points outside your accessible address space.
//成功返回秒数，错误则返回(time_t) -1)，错误原因存于errno中
（2）localtime_r() localtime()取得当地目前时间和日期
函数原型如下：
#include <time.h>
struct tm *localtime(const time_t *timep);
struct tm *localtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);
/*该函数将有time函数获取的值timep转换真实世界所使用的时间日期表示方法，然后将结果由结构tm返回*/
/**需要注意的是localtime函数可以将时间转换本地时间，但是localtime函数不是线程安全的。
多线程应用里面，应该用localtime_r函数替代localtime函数，因为localtime_r是线程安全的**/
（3）asctime() asctime_r() 将时间和日期以字符串格式返回‘
函数原型如下：
#include <time.h>
struct tm *gmtime(const time_t *timep);
struct tm *gmtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);
char *asctime(const struct tm *tm);
char *asctime_r(const struct tm *tm, char *buf);
/**gmtime是把日期和时间转换为格林威治(GMT)时间的函数。将参数time 所指的time_t 结构中的信息转换成真实世界所使用的时间日期表示方法，然后将结果由结构tm返回**/
/**asctime 将时间以换为字符串字符串格式返回 **/
（4） ctime()，ctime_r() 将时间和日期以字符串格式表示
函数原型如下：
#include <time.h>
char *ctime(const time_t *timep);
char *ctime_r(const time_t *timep, char *buf);
/**ctime()将参数timep所指的time_t结构中的信息转换成真实世界所使用的时间日期表示方法，然后将结果以字符串形态返回**/
（5）mktime() 将时间结构体struct tm的值转化为经过的秒数
函数原型：
#include <time.h>
time_t mktime(struct tm *tm);
/**将时间结构体struct tm的值转化为经过的秒数**/
（6）gettimeofday() 获取当前时间
函数原型如下：
#include <sys/time.h>
int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds (秒)*/
suseconds_t tv_usec; /* microseconds（微秒） */
};
struct timezone {
int tz_minuteswest; /* minutes west of Greenwich */
int tz_dsttime; /* type of DST correction */1 };
//gettimeofday函数获取当前时间存于tv结构体中，相应的时区信息则存于tz结构体中
//需要注意的是tz是依赖于系统，不同的系统可能存在获取不到的可能，因此通常设置为NULL
间隔定时器
定时器计时，并向进程生成一个信号。操作系统内核不必使用额外的数据结构来处理进程的VIRTUAL 和 PROF定时器。但是，REAL模式间隔定时器各不相同，因为无论进程是否正在执行，它们都必须由定时器中断处理程序来更新。因此，操作系统内核必须使用额外的数据结构来处理进程的 REAL 模式定时器，并在定时器到期或被取消时采取措施。在大多数操作系统内核中，使用的数据结构都是定时器队列。我们将在本章末尾解释编程项目中的定时器队列。
临界区
在基本代码系统中，只有一种执行实体，即任务，一次只执行一个任务。某任务在收到切换命令、进入休眠或退出之前，会一直执行下去。此外，任务切换只会发生在操作结束时，而不会发生在任何操作过程中。因此，任务之间没有竞争，因此在基本代码系统中没有临界区。但是，一旦我们将中断引人系统，情况就会改变。有两种类型的实体来执行中断,分别是任务和中断处理程序，它们可能会争夺系统中的同一(共享)数据对象。例如，当某任务请求间隔定时器时，必须将请求作为定时器队列元素输入timerQueue中。当某任务修改timerQueue 时，如果出现定时器中断，它将转移任务以执行中断处理程序，可能会改动同一 timerQueue，造成竞态条件。因此，timerQueue是临界区，必须对它进行保护，以确保它一次只能由一个执行实体访问。同样，当某进程在sleep()函数过程中执行时，可能被转移到执行中断处理程序，即可执行wakeup()，以试图在进程完成休眠操作之前唤醒它，从而导致另一个竟态条件。所以，问题是如何防止任务和中断处理程序相互干扰。
实践与问题（基于Openeuler系统）
- time（）获取当前时间
点击查看代码
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
int main()
{
time_t seconds;
seconds = time((time_t *)NULL);
printf("%d\n", seconds);
return 0;
}
- gettimeofday() 获取当前时间
点击查看代码
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
int main()
{
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
printf("tv_sec: %d\n", tv.tv_sec);
printf("tv_usec: %d\n", tv.tv_usec);
return 0;
}
点击查看代码
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
int count = 0;
struct itimerval t;
time_t start,end ;
void timer_handler(int sig){
end =time(NULL);
printf("timer_handler : signal %d count=%d , diff: %ld \n",sig, ++count,end -start);
start = end;
if( count >= 8){
printf("cancel timer \n");
t.it_value.tv_sec = 0 ;
t.it_value.tv_usec = 0;
setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &t , NULL);
}
}
int main(){
struct itimerval timer ;
signal (SIGVTALRM ,timer_handler);
timer.it_value.tv_sec = 0;
timer.it_value.tv_usec = 100000;
//every 1s afterward
timer.it_interval.tv_sec = 1;
timer.it_interval.tv_usec = 0;
// start a virtual itimer
start = time(NULL);
setitimer( ITIMER_VIRTUAL , &timer ,NULL );
printf("press Ctrl + C to terminate \n");
while(1);
}