Linux 时间相关函数

本篇旨在对Linux系统编程中常用的时间函数简单的总结。我们先来看下表示时间的几种数据类型，再来看看几种时间格式是如何转换的，并总结下获取时间和系统延时与定时的相关函数。

1. 时间类型

1.1 time_t

实际上是一个长整型，表示UTC时间（1970年1月1日0时0分0秒，Linux系统的Epoch时间）到当前系统时间的秒数级时间差，通常用于time函数：

#include <time.h>
time_t time(time_t *timer);
//通过函数返回值或者timer 变量均可以获取到当前时间

而利用ctime() 函数我们可以将time 函数get 到的时间转换成我们习惯性使用的时间和日期表示方法，并以一个字符串的方式返回。

#include <time.h>
char* ctime(time_t* timep);

此外，如果想比较两个时间的时间差，可以用到difftime()函数：

#include <time.h>
double difftime(time_t timep1, time_t timep2);

1.2 struct tm

tm结构体在ANSI标准中被称为分解时间，从下面的定义中，我们也可以看出来时间被分解成年月日等非常详细的域。

#include <time.h>

struct tm{
    int tm_sec;   //秒
    int tm_min;   //分
    int tm_hour;  //时；取值区间为[0, 23]
    int tm_mday;  //日；取值区间为[1, 31]
    int tm_mon;   //月份；取值区间为[0, 11]
    int tm_year;   //年份；其值为1900年至今年数
    int tm_wday;  //星期；0代表星期天，1代表星期1，以此类推
    int tm_yday;   //日期；0代表1月1日
    int tm_isdst;   //夏令时标识符；使用夏令时为正，不使用t为0，不确定时为负*/
};

gmtime() 和localtime() 函数可以将time_t 数据格式转化成tm格式的类型。区别是gmtime()转换的结果是GMT（中央时区）对应的信息，而localtime() 函数转换的结果是当前所在时区的信息。

mktime() 函数的功能则恰好相反，它将tm 结构的时间类型转换成time_t的时间类型。

asctime() 函数则是将tm结构的时间转换成我们习惯性使用的时间和日期表示方法，并以一个字符串的方式返回。

#include <time.h>

struct tm* gtime(const time_t* timep);
struct tm*localtime(const time_t* timep);
time_t mktime(struct tm *p_tm);
char *asctime(const struct tm *p_tm);

 

1.3 struct timeval

timeval结构体可以获取到ms级精度的时间，它的定义如下：

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

timeval结构体对应使用的函数是：gettimeofday() 和 settimeofday() :

#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>

int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
//函数执行成功返回0，失败返回-1. 其中timezone 是时区相关的结构体

int settimeofday(const struct timeval *tv, const struct timezone *gz);
//用来设置制定的时间和时区信息

struct timezone{

    int tz_minuteswest; /*miniutes west of Greenwich*/

    int tz_dsttime; /*type of DST correction*/

};

 

1.4 struct timespec

timespec结构体可以提供更高精度的时间值，ns级，其定义如下：

struct timespec{
    time_t tv_sec;    //s
    long tv_nsec;    //ns
};

其对应的函数是：clock_gettime():

int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec* tp);

其中clk_id 用来制定对应的时钟类型，不同的类型可以用来获取不同的时间值，具体有四种：

• CLOCK_REALTIME: 系统实时时间，从UTC开始计时，若时间被用户更改计数时间相应改变；
• CLOCK_MONOTONIC:从系统启动开始计时，即使用户更改时间也没有影响；
• CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID:本进程开始到执行到当前程序系统CPU花费的时间；
• CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID:本线程开始到执行到当前程序系统CPU花费的时间。

2. 时间类型转换

2.1 时间类型转换

介绍了相关的时间函数和对应的处理函数，我们来对各种时间类型进行一个简单的总结，如下图所示：

图中的大部分函数在第1节中已经有过介绍，这里在对strftime() 和 strptime() 两个函数简单介绍下，这两个函数是用来在tm 结构体类型以及用户自定义的显示格式之间进行转换的。

#include”time.h”
size_t strftime(char *strDest, size_t maxsize, const char *format, 
                const struct tm*timeptr);

strftime() 函数将tm格式的时间转换成用户自定义的(format)格式，并放到strdest地址中，常见的format 格式有：

• %a 星期几的简写
• %A 星期几的全称
• %b 月分的简写
• %B 月份的全称
• %c 标准的日期的时间串
• %C 年份的后两位数字
• %d 十进制表示的每月的第几天
• %D 月/天/年
• %e 在两字符域中，十进制表示的每月的第几天
• %F 年-月-日
• %g 年份的后两位数字，使用基于周的年
• %G 年分，使用基于周的年
• %h  简写的月份名
• %H  24小时制的小时
• %I 12小时制的小时
• %j 十进制表示的每年的第几天
• %m 十进制表示的月份
• %M 十时制表示的分钟数
• %n 新行符
• %p 本地的AM或PM的等价显示
• %r 12小时的时间
• %R 显示小时和分钟：hh:mm
• %S 十进制的秒数
• %t 水平制表符
• %T 显示时分秒：hh:mm:ss
• %u 每周的第几天，星期一为第一天 （值从0到6，星期一为0）
• %U 第年的第几周，把星期日做为第一天（值从0到53）
• %V 每年的第几周，使用基于周的年
• %w 十进制表示的星期几（值从0到6，星期天为0）
• %W 每年的第几周，把星期一做为第一天（值从0到53）
• %x 标准的日期串
• %X 标准的时间串
• %y 不带世纪的十进制年份（值从0到99）
• %Y 带世纪部分的十进制年份
• %z，%Z 时区名称，如果不能得到时区名称则返回空字符。
• %% 百分号

strptime()函数则执行相反的操作，将strftime() 函数返回的字符串格式转换回tm 结构体格式。其定义如下：

#include”time.h”
char *strptime(const char *buf,const char *format, struct tm *tm);

2.2 示例

讲完了这些，我们来看个简单的示例：

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

int main()
{
	time_t second;
	struct tm* ptm_gm;
	struct tm* ptm_local;
 	struct timeval pval;
	struct timespec pspec;
	second = time((time_t*)NULL);
	printf("Time:%lld\n",second);
	printf("CTime:%s",ctime(&second));

	ptm_gm = gmtime(&second);
	ptm_local = localtime(&second);
	printf("GMtime:%d %d %d\n",ptm_gm->tm_year+1900,ptm_gm->tm_mon,ptm_gm->tm_mday);
	printf("Lotime:%d %d %d\n",ptm_local->tm_year+1900,ptm_local->tm_mon,ptm_local->tm_mday);

	printf("GMtime:%s",asctime(ptm_gm));
	printf("Lotime:%s",asctime(ptm_local));

	printf("Mktime:%lld\n", mktime(ptm_gm));	
	
	if(!gettimeofday(&pval,NULL))
		printf("VaTime:%lld %lld\n",pval.tv_sec,pval.tv_usec);

	clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &pspec);
	printf("SpTime:%lld, %lld\n",pspec.tv_sec,pspec.tv_nsec);

	return 0;
}

执行结果为：

3. 延时函数与Timer函数

3.1 sleep 函数

Linux user space中我们可以用sleep 函数族来实现延时的功能，下面的三个sleep函数提供了三种精度的延时：

#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int seconds);   //秒级
int usleep(useconds_t usec);               //微秒级

#include <time.h>
int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem); //纳秒级

3.2 delay 函数

在Linux kernel层我们可以用delay函数族来实现不同精度的定时功能：

include <linux/delay.h>
void ndelay(unsigned long nsecs);         //纳秒级
void udelay(unsigned long usecs);         //微秒级
void mdelay(unsigned long msecs);        //毫秒级

 

3.3 定时器函数

Linux系统中可用的定时器函数有很多种，比如alarm，select 等等。本节将介绍一种高精度的定时器，它来自于POSIX标准。就如同前面介绍的线程、各种同步机制的使用，它也有创建、删除、获取、设置等一组函数，均包含在time.h文件。

1. 创建定时器

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

成功创建返回0，失败返回-1，并更新错误码。参数中timerid 是创建成功的timer id，另两个参数则相对复杂：

      (1). clockid_t: 使用的定时器类型，主要有以下几种:

• CLOCK_REALTIME: 系统保存的时间，比如当前是10点10分，我们起了一个10min的定时器，5min后，我们将系统时间修改成10点10分，定时器还会再过10min到时。（假设这时候我们将时间改到10点25分会是什么行为？）
• CLOCK_MONOTONIC：Timer严格按照设定的时间定时，无法通过修改时间改变；
• CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID：计时器只记录当前进程所实际花费的时间；比如当前进程只能获得50%的 CPU 时间，为了让进程真正地运行 10 分钟，到10 点 30 分Timer才 到期。
• CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID：以线程为计时实体，当前进程中的某个线程真正地运行了一定时间才触发 Timer。

     (2). Sigevent：如果参数evp为 NULL，那么定时器到期会产生默认的信号，比如 CLOCK_REALTIMER来说，默认信号就是SIGALRM，非空时取值如下：

struct sigevent {
        int sigev_notify;                    
        int sigev_signo;            
        union sigval sigev_value;     
        void (*sigev_notify_function) (union sigval); 
        void *sigev_notify_attributes;          
        pid_t sigev_notify_thread_id;  
 };

其中 sigev_notify表示通知方式，有如下几种：

• SIGEV_NONE: 到期时不产生通知;
• SIGEV_SIGNAL:到期时将给进程投递一个信号sigev_signo可以用来指定使用什么信号；
• SIGEV_THREAD:定时器到期时将启动新的线程进行处理;此种情况下需要设置 sigev_notify_function。当 Timer 到期时，将使用该函数作为入口启动一个线程来处理信号；sigev_value保存了传入 sigev_notify_funct的参数。sigev_notify_attributes 如果非空，则应该是一个指向 pthread_attr_t 的指针，用来设置线程的属性（比如 stack 大小,detach 状态等）；
• SIGEV_THREAD_ID:到期时将向指定线程发送信号，通常和 SIGEV_SIGNAL 联合使用，这样当 Timer 到期时，系统会向由 sigev_notify_thread_id 指定的线程发送信号，否则可能进程中的任意线程都可能收到该信号。

2. 启动定时器

int timer_settime(timer_t timerid, int flags, const struct itimerspec *new_value,
                  struct itimerspec * old_value);

struct itimespec{
    struct timespec it_interval;
    struct timespec it_value;  

};

对于new_value ，it_value用于指定当前的定时器到期时间。当定时器到期，it_value的值会被更新成it_interval 的值。如果it_interval的值为0，则定时器不是一个时间间隔定时器，一旦it_value到期就会回到未启动状态。

有些时候，应用程序会先启动用一个时间间隔启动定时器，随后又修改该定时器的时间间隔，这都可以通过修改 new_value 来实现；假如应用程序在修改了时间间隔之后希望了解之前的时间间隔设置，则传入一个非 NULL 的 old_value 指针，这样在 timer_settime() 调用返回时，old_value 就保存了上一次 Timer 的时间间隔设置。多数情况下我们并不需要这样，便可以简单地将 old_value 设置为 NULL，忽略它。

flags取值只有2个: 0 和 TIMER_ABSTIME。当 flags 为 0 时, new_value->it_value 表示希望timer首次到期时的时间与启动timer的时间间隔(例如,希望timer在2秒后到期)；当flags为 TIMER_ABSTIME 时, new_value->it_value 表示希望timer首次到期的绝对时间(例如希望timer在01:23:45到期);如果new_value->it_value设定的绝对时间早于当前的绝对时间, 那么timer会立即到期；如果时钟 CLOCK_REALTIME 被调整了,那么timer的首次过期时间也会适当调整。

3. 获得定时器的剩余时间

int timer_gettime(timer_t timerid, struct itimerspec *value);

4. 取得定时器的超限运行次数

int timer_getoverrun(timer_t timerid);

有可能一个定时器到期了，而同一定时器上一次到期时产生的信号还处于挂起状态。在这种情况下，其中的一个信号可能会丢失。这就是定时器超限。程序可以通过调用timer_getoverrun来确定一个特定的定时器出现这种超限的次数。定时器超限只能发生在同一个定时器产生的信号上。由多个定时器，甚至是那些使用相同的时钟和信号的定时器，所产生的信号都会排队而不会丢失。

6. 删除一个定时器

int timer_delete (timer_t timerid);

 

3.4 示例

我们再来看看使用timer的示例：

#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/time.h>
#include<signal.h>

void  handler()
{
	time_t t;
 	struct tm* gtm;
 	time(&t);
 	gtm = gmtime(&t);
 	printf("Time is %s\n", asctime(gtm));
}

int main(int argc, char *argv[])
{
 	struct sigevent evp;
 	struct itimerspec its;
 	timer_t timer;
 	int ret;
 	char c;
	time_t t;
 	struct tm* gtm;
	
 	evp.sigev_value.sival_ptr = &timer;
 	evp.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
 	evp.sigev_signo = SIGUSR1;
 	signal(SIGUSR1, handler);
 	if(timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timer))
		printf("Creat timer success\n");

	its.it_interval.tv_sec = 3;
	its.it_interval.tv_nsec = 0;
 	its.it_value.tv_sec = 3;
 	its.it_value.tv_nsec = 0;
 	if(ret = timer_settime(timer, 0, &its, NULL))
		printf("Set timer success\n");
	
	time(&t);
 	gtm = gmtime(&t);
 	printf("Time is %s\n", asctime(gtm));
	
	c = getchar();
	return 0;
}

从运行结果可以看到，初始Timer是4s到期，后面则都是3s到期一次：

注意：

1. 要使用POSIX的定时器，编译时要动态链接librt（glibc的实时动态库）,即加上-lrt选项。
2. asctime(),ctime()等函数返回的字符串是以’\n’结尾的。

写在文末：本文作为个人对APUE的学习笔记，章节安排和内容基本参考APUE。文中有疏漏或者错误的地方，还请不吝赐教。

本篇参考链接：

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/1307_liuming_linuxtime1/index.html

https://blog.youkuaiyun.com/water_cow/article/details/7521567#

https://blog.youkuaiyun.com/lu_embedded/article/details/53080496