linux環境下的時間程式設計include include // included by time.hinclude include include include

linux環境下的時間程式設計

Linux下提供了豐富的api以供開發者們處理和時間相關的問題。然而這些接口看似各自為政實則有有着千絲萬縷的聯系，在學習和時間中引發了各種各樣的混亂。是以時間處理成為了許多Linux開發者的夢魇，遇到時間處理往往避之不及。不過隻要你稍微花費一點點精力，學會在Linux上優雅的處理時間和日期也并不是什麼難事。

是以本文将會詳細介紹Linux api和c标準庫對時間的處理，對于更現代化的c++的chrono，會在另一篇文章裡再講。

本文并不會涉及定時器（timer），timer和時間有着關聯，而且timer對于程式員來說是極為重要的，但介紹timer接口将會花費相當可觀的篇幅，那樣多少會使本文離題，是以請允許我在另外的文章中單獨讨論timer，這裡我們主要集中精力在time pointer和date time上。

本文索引

time的分類

時間的表示

time_t

帶有完整月曆資訊的struct tm

過時的timeval

更現代的timespec

總結

在讨論具體的時間問題前，我們先要明确時間的概念。也許你覺得時間的概念是那麼淺顯易懂沒有什麼額外強調的必要，但對于程式來說卻不然。在程式看來時間的定義是靈活多變的，不同的定義下時間的計算是不同的，是以有必要仔細區分。

一般而言Linux上提供了三種時間，每種時間都包含了自己的含義，起點和特征：

real time

月曆時間，又叫wall-clock或者system clock，如同字面意思，是指和真實世界中同樣的時間。是以這是最直覺最容易了解的時間。

對于Linux世界來說這個時間的起點是1970年1月1日0時（UTC），又被叫做Epoch，Linux上以此為起點的均為UTC時間。

real time的最大特點是會受到修改系統時間的指令/api或者ntp服務的影響，因而導緻時間出現跳躍。

monotonic time

單調時間，意思是不能被設定和影響的時間，是以相比系統時鐘它可以提供更精确是時間資訊，也不會出現時間跳躍。

單調時間的起點POSIX标準并沒有明确指定，但在Linux上是以系統啟動的時間為起點的。

雖然說單調時鐘的時間是穩定的，但它會被adjtime函數和ntp服務影響，同時當系統挂起或休眠時計時會被暫停。

cpu time

程式占用的cpu運作時間。

起點是程式開始運作的時間。

起點說的不是很嚴謹，因為嚴格來說cpu time計算的是程式占用的cpu的ticks數，是以程式上的使用者等待時間是不包含在内的。

總結一下，前兩種是我們接觸最多的，系統時間最常見于date time的處理，單調時間則是計時功能和定時器的基石；而cpu time雖然用的少但是在衡量程式性能時是一個重要的參考名額。

存儲時間的方法多如牛毛，而對于計算機來說最簡單也最有效率的方式便是記錄從起點到現在所經過的時間長度。這也是Linux上不同時間表示法的共通之處。

Linux上最常見的時間存儲方案有四種：time_t，struct tm，struct timeval和struct timespec。我們分别介紹它們。

time_t是c和c++标準庫的一部分，有标準庫背書，是以用的也是最廣泛的。

time_t主要表示月曆時間，也就是1970/1/1 0:00 UTC開始到現在的秒數。是以一部分的資料會告訴你他是長整數類型比如long的别名，為了友善你可能會将它們轉換為整數類型，這時要小心，雖然大多數情況下time_t确實和整數類型有關系，但不同的實作可能使用了不同的整數類型，比如unsigned long和long long，有時候time_t甚至可能是編譯器内置類型的别名，是以為了可移植性不要輕易斷定它的原始類型是什麼。

獲得系統時間的方法有如下幾種：

// 參數為空指針直接傳回目前UTC時間

std::time_t now = std::time(nullptr);

// 參數不為空的時候也會把結果存入參數

std::time_t now_now{};

now = std::time(&now_now);

// 通過tm結構體還原成time_t

std::tm date = {.tm_year = 70}; // 1970/1/1

std::time_t t = std::mktime(&date);

std::cout << std::ctime(&t) << std::endl; // output: Thu Jan 1 00:00:00 1970

一切看起來都很自然，時間的擷取就應該是一件簡單的事情————真的是這樣嗎？給出一點提示，最後ctime的輸出真的正确嗎？

答案很遺憾是否定的。首先我們的系統處于UTC+8時區，我們設定tm為1970年1月1日，是以mktime應該傳回0，但當我們用ctime輸出本地時間時卻發現時間仍然在1970/1/1 0:00:00，而沒有如我們預期的那樣+8小時，這是為什麼呢？

我們的time_t所代表的系統時間又叫做月曆時間，是真實世界的時間一緻的。而我們知道地球上根據經度不同對于各地區的人來說時間也是不同，是以為了正常生活需要劃分出時區；各時區的時間不同，但某些事物會在不同的時區同時發生，是以又需要一個統一的标準時來确定時間，這句是協調世界時（UTC）。

從上面我們可以看到，表達月曆時間除了記錄時間跨度之外還需要儲存時區資訊，然而我們的time_t并沒有儲存時區（timezone）！這是因為标準庫把時區的設定交給了系統以及使用者自己，在标準庫裡受到支援的隻有local time和UTC time。

是以你會發現标準庫函數都對參數是何種時間，傳回值是什麼時間做了明确的聲明。而我們的mktime接受的是_local time_而傳回的是_UTC time_，是以time_t所表示的時間比我們預想的差了8小時。

是以我們在Linux上處理時間時一定要注意上下文中時間值附帶的時區資訊。

和time_t息息相關的要數struct tm了，它的聲明如下：

struct tm {

int tm_sec; / 秒 [0-60] 允許有1秒的閏秒存在（c++11前和c99前允許2秒的閏秒，是以最大值是61） /

int tm_min; / 分 [0-59] /

int tm_hour; / 時 [0-23] /

int tm_mday; / 日 [1-31] /

int tm_mon; / 月，1月為0 /

int tm_year; / 年份，從1900年開始計算，1970年的值為70 /

int tm_wday; / 星期幾，星期天為0，星期六為6，依次遞增 /

int tm_yday; / 一年中的第幾天，1月1日是0 /

int tm_isdst; / 是否啟用夏令時 /

};

當然這隻是标準給出的必須要有的成員，實際上在某些bsd系統中struct tm實際上還會包含時區相關的成員，為了寫出可移植的代碼我們将這些附加内容視為不存在。

擷取struct tm除了像我們上一節那樣手動指定成員的值之外，還有若幹标準庫函數可供使用：

// mktime不再贅述，它除了轉換tm到time_t之外還可以根據給出的字段自動将tm設定成合理的值

// localtime 認為收到的是local time，傳回該local time對應的tm值

// 注意t1複制了傳回值，因為localtime，gmtime傳回的是static生命周期的指針，無法保證它的值不會被修改

std::tm t1 = *std::localtime(&now);

// gmtime 認為接受的是local time，傳回将該local time轉換為UTC time之後的值

std::tm *t2 = std::gmtime(&now);

// difftime用于比較兩個time_t之間相差的秒數

auto time_end = mktime(&t1);

auto time_beg = mktime(t2);

std::cout << std::difftime(time_end, time_beg) << std::endl; // Output: 28800

正如上面代碼所示，标準庫提供的函數gmtime, localtime, asctime, ctime都使用了函數内的static存儲，是以必要的情況下必須把結果值進行拷貝；或者你也可以使用posix提供的帶_r字尾的安全版本。

結果是28800秒，也就是8小時，我們所在的時區是UTC+8，符合預期。

此外我們還可以将tm進行格式化輸出：

// ctime将接收的time_t視為UTC time，将其轉換為local time之後再轉換成字元串

// ctime相當于asctime(localtime(...))

std::time_t t1{}; // 預設初始化為0

std::cout << std::ctime(&t1) << std::endl;

// Output: Thu Jan 1 08:00:00 1970

// asctime将收到的tm資料原樣輸出，不做任何時區的轉換

std::tm tm1{};

tm1.tm_year = 70;

tm1.tm_mday = 1;

mktime(&tm1);

std::cout << std::asctime(&tm1) << std::endl;

// Output: Thu Jan 1 00:00:00 1970

此外我們還有strftime和strptime（需要#define _XOPEN_SOURCE）用來将tm格式化為字元串和将字元串解析為tm，限于篇幅我們不過多介紹。

在看過這些常用接口之後，我覺得你現在一定陷入混亂了，因為每個函數對時區的假設都不同，甚至一個函數的參數和傳回值的時區也不相同！這就是為什麼在Linux上處理時間問題會成為噩夢的原因之一。

你可以靠下圖進行簡單的記憶，黃色線代表與時區無關，藍色代表不進行時區轉換，紅色代表轉換為local time，綠色則是UTC time：

至于local和UTC以外的時區怎麼辦。。。沒辦法，隻能自己手動算時區偏移量了。

timeval的聲明如下：

include

struct timeval {

time_t tv_sec; // 秒

suseconds_t tv_usec; // us 微秒

前面兩種方案精度隻能到秒，而struct timeval可以存儲到微秒。timeval除了表示日期類似于time_t之外，還可以用來表示時間跨度（duration）：

include // included by time.h

struct timeval t;

(void)gettimeofday(&t, nullptr); // UTC

// 使用timeval作為時間長度

struct timeval wait_time = {1, 500000}; // 1.5秒

select(NFDS, read_fds, write_fds, err_fds, &wait_time);

gettimeofday的第二個參數是時區，然而在Linux和glibc上這個參數的實際意義是沒有被定義的，是以我們傳遞nullptr。

由于gettimeofday自身的原因，你通常無法擷取到足夠到微秒的精度，會存在些許的偏差。另外posix1.2008已經将gettimeofday标記為廢棄，是以我們不應該繼續使用這一api，是以這裡不做過多讨論。

使用timeval結構的函數也少的可憐，隻有select和pselect。

timespec的聲明如下：

struct timespec {

time_t tv_sec; // 秒

long tv_nsec; // 納秒

struct timespec是更現代的精度也更高的結構，精度達到了納秒。同時c11和c++17标準還将其納入了标準庫，是以它現在不再隻是posix标準下的了。

獲得timespec有兩種途徑，首先是c和c++标準庫提供的方法，我們以c++為例（c的方法完全一樣）：

std::timespec ts;

timespec_get(&ts, TIME_UTC);

這樣我們就獲得了現在的UTC時間的值。第二個參數标準目前隻定義了TIME_UTC，是以現在還無法直接擷取其他時區的時間值。

擷取timespec的第二種方法就是使用posix的clock_gettime，它不僅能獲得自1970/1/1開始的時間，還可以自定義clock的類型以便擷取不同的時間值，現在是被推薦的用于擷取時間的接口，在需要擷取較高精度的時間值時應該優先考慮使用它：

void print_time(const char id, const struct timespec t)

{

printf("%s:\nseconds: %ld nanoseconds: %ld\n\n", id, t->tv_sec, t->tv_nsec);           

}

// 擷取不同時鐘的時間值并列印，不支援的時鐘類型會讓clock_gettime傳回-1

// 你不應該模仿這個宏，我隻是單純在偷懶而已

define get_clock(clk_id) \

do { \
    if (clock_gettime(clk_id, &t) != 0) { \
        printf("this system doesn't support the " #clk_id "clock\n"); \
    } \
    print_time(#clk_id, &t); \
    memset(&t, 0, sizeof(struct timespec)); \
} while (0)
           

int main(void)

struct timespec t = {0, 0};
// 月曆時間，UTC
get_clock(CLOCK_REALTIME);

// 單調時鐘時間，從系統啟動開始計算
get_clock(CLOCK_MONOTONIC);

// 類似單調時鐘，但是包含了系統休眠時經過的時間
get_clock(CLOCK_BOOTTIME);           

輸出如下：

CLOCK_REALTIME:

seconds: 1585273480 nanoseconds: 594245824

CLOCK_MONOTONIC:

seconds: 12018 nanoseconds: 401860644

CLOCK_BOOTTIME:

seconds: 12018 nanoseconds: 401863344

因為我的系統并沒有休眠，是以BOOTTIME和MONOTONIC的值是相同的。

還有更多的時鐘類型，比如基于硬體的更快的單調時鐘和系統時鐘，記錄程序/線程消耗cpu時間的時鐘等，具體參見man pages。

timespec的應用也相當廣泛，在clock_nanosleep，nanosleep，pthread等系統調用和庫中都被廣泛使用。

比如在pthread中我們規定等待互斥鎖2.5秒，逾時就重試或放棄：

struct timespec timeout;

clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timeout);

timeout.tv_sec += 2;

timeout.tv_nsec += 50000000;

pthread_mutex_timedlock(&mutex, &timeout);

從上面可以看出逾時是根據系統時間進行判斷的，通過設定mutex是屬性，我們還可以使用更為準确的單調時鐘。

本文我們介紹了c/c++标準庫以及Linux提供的time api一共兩套時間處理方案。

對于簡單的date time的處理和擷取time pointer，标準庫的功能就足夠了；而對于逾時/延時任務以及需要更高精度時間的場合我們需要系統調用的幫助。

兩套api間可以在損失微秒/納秒精度的前提下進行轉換，因為tv_sec成員都是time_t類型的。

兩套api各有所長，然而都有一個缺點————無法處理時區。在不引入第三方庫和自己手動計算的情況下，Linux處理時區的手段隻有以下兩種：

函數自己定義參數和傳回值使用local time還是UTC time；

系統根據環境變量TZ以及配置檔案/etc/localtime等改變本地時間（local time）。

是以在處理時間時我們始終要注意目前被處理的時間是解釋成本地時間還是UTC時間；同時還要注意獲得的時間的本地還是UTC。是以時間處理問題不可避免的變得十分複雜，某些使用夏令時的地區這一問題還會被繼續放大。

當然，如果你不想用這麼底層的時間處理方法，還有類似xTime，libtai，boost_date_time這樣的第三方庫可以使用。

作者：@apocelipes

本文為作者原創，轉載請注明出處：

https://www.cnblogs.com/apocelipes/p/12579956.html