《Unix/Linux系统编程》教材学习笔记第五章

chapter5

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（时间戳）。

（2）可编程间隔定时器（PIT）（Wang 2015）：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I/O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（Intel 1997;Wang 2015）：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 operands;
    (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;
}

在以上各步骤中，由于无效地址、非法指令、越权等原因，可能会出现一个错误状态称为异常或陷阱。当CPU遇到异常时，它会根据内存中预先安装的指针来执行软件中的异常处理程序。在每条指令执行结束时，CPU会检查挂起的中断。中断是I/O设备或协处理器发送给CPU的外部信号，请求CPU服务。如果有挂起的中断请求，但是CPU未处于接受中断的状态，即它的状态寄存器已经屏蔽了中断，CPU 会忽略中断请求，继续执行下一条指令。否则，它将直接执行中断处理。在中断处理结束时，它将恢复指令的正常执行。中断处理和异常处理都在操作系统内核中进行。在大多数情况下，用户级程序无法访问它们，但它们是理解操作系统（如 Linux）定时器服务和信号的关键。

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人行（Intel 1990;Wang 2015），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。在每条指令执行结束时，如果CPU未处于接受中断的状态，即在CPU的状态寄存器中屏蔽了中断，它将忽略中断请求，使其处于挂起状态，并继续执行下一条指令。如果CPU处于接受中断状态，即中断未被屏蔽，那么CPU将会转移它正常的执行顺序来进行中断处理。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 2011）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

在几乎所有的操作系统（OS）中，操作系统内核都会提供与时钟相关的各种服务。时钟服务可通过系统调用、库函数和用户级命令调用。

gettimeofday-settimeofday

#include <sys/time.h>
int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
int settimeofday(const struct timeval *tv, const struct timezone *tz);

这些是对Linux内核的系统调用。第一个参数tv指向一个timeval结构体。

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

第二个参数timezone已过期，应设置为NULL。gettimeofday()函数用于返回当前时间（当前秒的秒和微秒）。settimeofday()函数用于设置当前时间。在Unix/Linux中，时间表示自1970年1月1日00:00:00起经过的秒数。它可以通过库函数ctime(&time)转换为日历形式。下面是gettimeofday()函数和settimeofday()函数的示例。

1.gettimeofday()系统调用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>

struct timeval t;

int main()
{
    gettimeofday(&t,NULL);
    printf("sec=%ld usec=%d\n", t.tv_sec, t.tv_usec);
    printf((char *)ctime(&t.tv_sec));
}

程序应以秒、微秒显示当前时间，并以日历形式显示当前日期和时间。

2.settimeofday()系统调用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>

struct timeval t;

int main()
{
    int r;
    t.tv_sec = 123456789;
    t.tv_usec= 0;
    r = settimeofday(&t,NULL);
    if(!r){
        printf("settimeofday() failed\n");
        exit(1);
    }
    gettimeofday(&t,NULL);
    printf("sec=%ld usec=%ld\n", t.tv_sec, t.tv_usec);
    printf("%s",ctime(&t.tv_sec));  //show time in calendar form
}

在某些Linux系统中，如在Ubuntu 15.10中，产生的结果可能只是暂时的。如果读进程再次运行gettimeofday程序，结果将会显示Linux已经将系统时间更改回正确的实时时间。这表明Linux内核能够使用实时时钟（和其他时间同步协议）来纠正系统时间与实时时间之间的任何偏差。

time系统调用

time系统调用。

time_t time(time_t *t)

以秒为单位返回当前时间。如果参数t不是NULL，还会将时间存储在t指向的内存中。time系统调用具有一定的局限性，只提供以秒为单位的分辨率，而不是以微秒为单位。下面的示例说明了如何获取以秒为单位的系统时间。

#include <stdio.h>
#include <time.h>

time_t start, end;

int main()
{
    int i;
    start = time(NULL);
    printf("start=%ld\n", start);
    for(i=0;i<123456789;i++);       //delay to simulate computation
    end = time(NULL);
    printf("end =%ld time=%ld\n", end, end-start);
}

输出应打印开始时间、结束时间以及从开始到结束的秒数。

times系统调用

clock_t times(struct tms *buf);

可用于获取某进程的具体执行时间。它将进程时间存储在struct tms buf中，即:

struct tms{
    clock_t tms_utime;      //user mode time
    clock_t tms_stime;      //system mode time
    c1ock_t tms_cutime;     //user time of children
    clock_t tms_cstime;     //system time of children
};

以时钟计时单元报告所有时间。这可以为分析某个正在执行的进程提供信息，包括其子进程的时间（如果有）。

time和date命令

date：打印或设置系统日期和时间。
time：报告进程在用户模式和系统模式下的执行时间和总时间。
hwclock：查询并设置硬件时钟（RTC），也可以通过BIOS来完成。

间隔定时器

Linux为每个进程提供了三种不同类型的间隔计时器，可用作进程计时的虚拟时钟。间隔定时器由setitimer()系统调用创建。getitimer()系统调用返回间隔定时器的状态。

int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);

各间隔定时器在参数which指定的不同时间域中工作。当间隔定时器定时到期时，会向进程发送一个信号，并将定时器重置为指定的间隔值（如果是非零数）。一个信号就是发送给某个进程进行处理的一个数字（1到31）。有3类间隔定时器，分别是：

（1）ITIMER_REAL：实时减少，在到期时生成一个SIGALRM（14）信号。

（2）ITIMER_VIRTUAL：仅当进程在用户模式下执行时减少，在到期时生成一个SIGVTALRM（26）信号。

（3）ITIMER_PROF：当进程正在用户模式和系统（内核）模式下执行时减少。这类间隔定时器与ITIMER_VIRTUAL结合使用，通常用于分析应用程序在用户模式和内核模式下花费的时间。它在到期时生成一个SIGPROF（27）信号。

间隔定时器的值用以下结构体（在<sys/time.h>中）定义：

struct itimerval{
    struct timeval it_interval;     /* interval for periodic timer */
    struct timeval it_value;        /* time until next expiration */
};
struct timeval{
    time_t tv_sec;                  /* seconds */
    suseconds_t tv_usec;            /* microseconds */
};

函数getitimer()用当前值填充curr_value指向的结构体，即参数which（ITIMER_REAL、ITIMER_VIRTUAL或 ITIMER_PROF三者之一）指定的定时器在下次到期之前剩余的时间。将it_value字段的子字段设置为定时器上的剩余时间，如果定时器被禁用，则设置为0。将it_interval字段设置为定时器间隔（周期）；如果该字段中的返回值（两个子字段）为0，则表明这是singleshot定时器。

函数setitimer()将指定定时器设置为new_value中的值。如果old_value为非NULL，定时器的原来值，即getitimer()返回的信息，会存储在那里。

周期定时器从it_value逐渐减小到0，生成一个信号，并重置为it_interval。设置为0的定时器（it_value为0或定时器到期以及it_interval为0）可将定时器停止。tv_sec和tv_usec对确定定时器的持续时间都有重要影响。下面是进程间隔定时器的例子。

该例展示了如何设置VIRTUAL模式的间隔定时器，该定时器仅在进程以用户模式执行时才减少计时。该定时器设置为完成最初100毫秒计时后开始计时。然后，它以1秒为周期运行。当定时器计时减少为0时，它会向进程发出一个SIGVTALRM（26）信号。如果进程未安装该信号的捕捉器，将会对该信号进行默认处理，即终止。在这种情况下，进程将以信号数26终止。如果进程安装了信号捕捉器，Linux内核会让进程执行信号捕捉器，以用户模式处理信号。在间隔时间开始之前，程序通过以下代码安装SIGVTALRM信号的信号捕捉器：

void timer_handler(int sig){ . . . .}
signal(SIGALRM, timer_handler)

安装信号捕捉器后，程序启动定时器，然后在while(1)循环中执行。当在循环中执行时，每个硬件中断（例如来自硬件定时器的中断）都会导致CPU以及在CPU上执行的进程进入Linux内核来处理中断。当进程处于内核模式时，会检查待处理信号。如有待处理信号，它会试图先处理信号再返回用户模式。在这种情况下，SIGVTALRM信号将导致进程在用户模式下执行信号捕捉器。由于信号定时器程序设计为每秒生成一个信号，进程将每秒执行一次timer_handler()，使打印消息像脉冲星一样每秒显示一次。信号捕捉函数timer_handler()可计算定时器的时间结束次数。当计数达到规定值时，它用定时器值0来取消setitimer()设置的间隔定时器。虽然定时器已经停止，但进程仍在无限while(1)循环中执行。在这种情况下，从键盘按下“Ctrl+C”组合键，可以使进程以SIGINT（2）信号终止。在教材代码实践中会给出setitimer程序代码。

REAL模式间隔定时器

VIRTUAL和PROF模式下的间隔计时器仅在执行进程时才有效。这类定时器的信息可保存在各进程的PROC结构体中。（硬件）定时器中断处理程序只需要访问当前运行进程的PROC结构体，就可以减少定时器计时，在定时结束时重新加载定时器计时，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。

GPT提问环节

硬件定时器

linux系统下的时钟函数调用

在学习中遇到的一些问题

问题：在编译教材代码时出现编译报错，于是向GPT提问求助后得到下图回复。

在了解了GPT的回答后我明白了我的ubuntu系统版本并不是旧版本，直接按照教材上的代码编译会有语法和变量的报错，因此，按照GPT所提供的代码重新编译后就不会出现报错了，能够正常运行。当然，除此之外我还对sys/time.h和time.h有一点疑惑，于是我向GPT提出了我的疑惑，GPT也给了我比较详细的回答，如下图。