Linux中时间度量

一)ANSI clock函数

1)概述:
clock 函数的返回值类型是clock_t,它除以CLOCKS_PER_SEC来得出时间,一般用两次clock函数来计算进程自身运行的时间.

ANSI clock有三个问题:
1)如果超过一个小时,将要导致溢出.
2)函数clock没有考虑CPU被子进程使用的情况.
3)也不能区分用户空间和内核空间.

所以clock函数在linux系统上变得没有意义.

2)测试
编写test1.c程序,测试采用clock函数的输出与time程序的区别.

vi test1.c
#include
#include
#include

int main( void )
{
   long i=1000L;
   clock_t start, finish;
   double  duration;
   printf( "Time to do %ld empty loops is ", i );
   start = clock();
   while (--i){
    system("cd");
   }
   finish = clock();
   duration = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;
   printf( "%f seconds\n", duration );
   return 0;
}

gcc test1.c -o test1

time ./test1
Time to do 1000 empty loops is 0.180000 seconds

real    0m3.492s
user    0m0.512s
sys     0m2.972s

3)总结:
(1)程序调用 system("cd");，这里主要是系统模式子进程的消耗,test1程序不能体现这一点.
(2)0.180000 seconds秒的消耗是两次clock()函数调用除以CLOCKS_PER_SEC.
(3)clock()函数返回值是一个相对时间，而不是绝对时间.
(4)CLOCKS_PER_SEC是系统定义的宏，由GNU标准库定义为1000000.

 

二)times()时间函数

1)概述:

原型如下：
clock_t times(struct tms *buf);

tms结构体如下:
strace tms{
 clock_t tms_utime;
 clock_t tms_stime;
 clock_t tms_cutime;
 clock_t tms_cstime;
}

注释:
tms_utime记录的是进程执行用户代码的时间.
tms_stime记录的是进程执行内核代码的时间.
tms_cutime记录的是子进程执行用户代码的时间.
tms_cstime记录的是子进程执行内核代码的时间.

2)测试:

vi test2.c
#include
#include
#include
#include
#include

static void do_cmd(char *);
static void pr_times(clock_t, struct tms *, struct tms *);

int main(int argc, char *argv[]){
        int i;
        for(i=1; argv[i]!=NULL; i++){
                do_cmd(argv[i]);
        }
        exit(1);
}
static void do_cmd(char *cmd){
        struct tms tmsstart, tmsend;
        clock_t start, end;
        int status;
        if((start=times(&tmsstart))== -1)
                puts("times error");
        if((status=system(cmd))<0)
                puts("system error");
        if((end=times(&tmsend))== -1)
                puts("times error");
        pr_times(end-start, &tmsstart, &tmsend);
        exit(0);
}
static void pr_times(clock_t real, struct tms *tmsstart, struct tms *tmsend){
        static long clktck=0;
        if(0 == clktck)
                if((clktck=sysconf(_SC_CLK_TCK))<0)
                           puts("sysconf err");
        printf("real:%7.2f\n", real/(double)clktck);
        printf("user-cpu:%7.2f\n", (tmsend->tms_utime - tmsstart->tms_utime)/(double)clktck);
        printf("system-cpu:%7.2f\n", (tmsend->tms_stime - tmsstart->tms_stime)/(double)clktck);
        printf("child-user-cpu:%7.2f\n", (tmsend->tms_cutime - tmsstart->tms_cutime)/(double)clktck);
        printf("child-system-cpu:%7.2f\n", (tmsend->tms_cstime - tmsstart->tms_cstime)/(double)clktck);
}

编译:
gcc test2.c -o test2

测试这个程序:
time ./test2 "dd if=/dev/zero f=/dev/null bs=1M count=10000"
10000+0 records in
10000+0 records out
10485760000 bytes (10 GB) copied, 4.93028 s, 2.1 GB/s
real:   4.94
user-cpu:   0.00
system-cpu:   0.00
child-user-cpu:   0.01
child-system-cpu:   4.82

real    0m4.943s
user    0m0.016s
sys     0m4.828s

3)总结:
(1)通过这个测试,系统的time程序与test2程序输出基本一致了.
(2)(double)clktck是通过clktck=sysconf(_SC_CLK_TCK)来取的,也就是要得到user-cpu所占用的时间, 就要用
(tmsend->tms_utime - tmsstart->tms_utime)/(double)clktck);
(3)clock_t times(struct tms *buf);返回值是过去一段时间内时钟嘀嗒的次数.
(4)times()函数返回值也是一个相对时间.

 

三)实时函数clock_gettime

在POSIX1003.1中增添了这个函数,它的原型如下：
int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);

它有以下的特点:
1)它也有一个时间结构体:timespec ,timespec计算时间次数的单位是十亿分之一秒.
strace timespec{
 time_t tv_sec;
 long tv_nsec;
}

2)clockid_t是确定哪个时钟类型.

CLOCK_REALTIME: 标准POSIX实时时钟
CLOCK_MONOTONIC: POSIX时钟,以恒定速率运行;不会复位和调整,它的取值和CLOCK_REALTIME是一样的.
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID和CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID是CPU中的硬件计时器中实现的.

3)测试:
#include
#include
#include

#define MILLION 1000000

int main(void)
{
        long int loop = 1000;
        struct timespec tpstart;
        struct timespec tpend;
        long timedif;

        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tpstart);

        while (--loop){
                system("cd");
        }

        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tpend);
        timedif = MILLION*(tpend.tv_sec-tpstart.tv_sec)+(tpend.tv_nsec-tpstart.tv_nsec)/1000;
        fprintf(stdout, "it took %ld microseconds\n", timedif);

        return 0;
}

编译:
gcc test3.c -lrt -o test3

计算时间:
time ./test3
it took 3463843 microseconds

real    0m3.467s
user    0m0.512s
sys     0m2.936s

 

四)时间函数gettimeofday()

1)概述:
gettimeofday()可以获得当前系统的时间,是一个绝对值

原型如下：
int gettimeofday ( struct timeval * tv , struct timezone * tz )

timeval结型体的原型如下:
struct timeval {
               time_t      tv_sec;    
               suseconds_t tv_usec;   
           };

所以它可以精确到微秒

测试:
#include
#include
#include
int
main(){
        int i=10000000;
        struct timeval tvs,tve;
        gettimeofday(&tvs,NULL);
        while (--i);
        gettimeofday(&tve,NULL);
        double span = tve.tv_sec-tvs.tv_sec + (tve.tv_usec-tvs.tv_usec)/1000000.0;
        printf("time: %.12f\n",span);
        return 0;
}

gcc test5.c
./a.out
time: 0.041239000000

 

五)四种时间函数的比较

1)精确度比较:

以下是各种精确度的类型转换:
1秒=1000毫秒(ms), 1毫秒=1/1000秒(s)；
1秒=1000000 微秒(μs), 1微秒=1/1000000秒(s)；
1秒=1000000000 纳秒(ns),1纳秒=1/1000000000秒(s)；

2)
clock()函数的精确度是10毫秒(ms)
times()函数的精确度是10毫秒(ms)
gettimofday()函数的精确度是微秒(μs)
clock_gettime()函数的计量单位为十亿分之一，也就是纳秒(ns)

3)测试4种函数的精确度:

vi test4.c

#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#define WAIT for(i=0;i<298765432;i++);
#define MILLION    1000000
    int
main ( int argc, char *argv[] )
{
    int i;
    long ttt;
    clock_t s,e;
    struct tms aaa;

    s=clock();
    WAIT;
    e=clock();
    printf("clock time : %.12f\n",(e-s)/(double)CLOCKS_PER_SEC);

    long tps = sysconf(_SC_CLK_TCK);
    s=times(&aaa);
    WAIT;
    e=times(&aaa);
    printf("times time : %.12f\n",(e-s)/(double)tps);

    struct timeval tvs,tve;
    gettimeofday(&tvs,NULL);
    WAIT;
    gettimeofday(&tve,NULL);
    double span = tve.tv_sec-tvs.tv_sec + (tve.tv_usec-tvs.tv_usec)/1000000.0;
    printf("gettimeofday time: %.12f\n",span);

    struct timespec tpstart;
    struct timespec tpend;

    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tpstart);
    WAIT;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tpend);
    double timedif = (tpend.tv_sec-tpstart.tv_sec)+(tpend.tv_nsec-tpstart.tv_nsec)/1000000000.0;
    printf("clock_gettime time: %.12f\n", timedif);

    return EXIT_SUCCESS;
}

gcc -lrt test4.c -o test4
debian:/tmp# ./test4
clock time : 1.190000000000
times time : 1.180000000000
gettimeofday time: 1.186477000000
clock_gettime time: 1.179271718000

 

六)内核时钟

默认的Linux时钟周期是100HZ,而现在最新的内核时钟周期默认为250HZ.
如何得到内核的时钟周期呢?
grep ^CONFIG_HZ /boot/config-2.6.26-1-xen-amd64

CONFIG_HZ_250=y
CONFIG_HZ=250

结果就是250HZ.

而用sysconf(_SC_CLK_TCK);得到的却是100HZ
例如:

#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   

int
main ( int argc, char *argv[] )
{

    long tps = sysconf(_SC_CLK_TCK);
    printf("%ld\n", tps);
   
    return EXIT_SUCCESS;
}

为什么得到的是不同的值呢？
因为sysconf(_SC_CLK_TCK)和CONFIG_HZ所代表的意义是不同的.
sysconf(_SC_CLK_TCK)是GNU标准库的clock_t频率.
它的定义位置在:/usr/include/asm/param.h

例如:
#ifndef HZ
#define HZ 100
#endif

最后总结一下内核时间:
内核的标准时间是jiffy,一个jiffy就是一个内部时钟周期,而内部时钟周期是由250HZ的频率所产生中的,也就是一个时钟滴答,间隔时间是4毫 秒(ms).

也就是说:
1个jiffy=1个内部时钟周期=250HZ=1个时钟滴答=4毫秒

每经过一个时钟滴答就会调用一次时钟中断处理程序，处理程序用jiffy来累计时钟滴答数,每发生一次时钟中断就增1.
而每个中断之后,系统通过调度程序跟据时间片选择是否要进程继续运行,或让进程进入就绪状态.

最后需要说明的是每个操作系统的时钟滴答频率都是不一样的,LINUX可以选择(100,250,1000)HZ,而DOS的频率是55HZ.

 

七)为应用程序计时

用time程序可以监视任何命令或脚本占用CPU的情况.

1)bash内置命令time
例如:
time sleep 1

real    0m1.016s
user    0m0.000s
sys     0m0.004s

2)/usr/bin/time的一般命令行
例如:
\time sleep 1
0.00user 0.00system 0:01.01elapsed 0%CPU (0avgtext+0avgdata 0maxresident)k
0inputs+0outputs (1major+176minor)pagefaults 0swaps

注：
在命令前加上斜杠可以绕过内部命令.
/usr/bin/time还可以加上-v看到更具体的输出:
\time -v sleep 1
        Command being timed: "sleep 1"
        User time (seconds): 0.00
        System time (seconds): 0.00
        Percent of CPU this job got: 0%
        Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:01.00
        Average shared text size (kbytes): 0
        Average unshared data size (kbytes): 0
        Average stack size (kbytes): 0
        Average total size (kbytes): 0
        Maximum resident set size (kbytes): 0
        Average resident set size (kbytes): 0
        Major (requiring I/O) page faults: 0
        Minor (reclaiming a frame) page faults: 178
        Voluntary context switches: 2
        Involuntary context switches: 0
        Swaps: 0
        File system inputs: 0
        File system outputs: 0
        Socket messages sent: 0
        Socket messages received: 0
        Signals delivered: 0
        Page size (bytes): 4096
        Exit status: 0
       
这里的输出更多来源于结构体rusage.

最后，我们看到real time大于user time和sys time的总和，这说明进程不是在系统调用中阻塞,就是得不到运行的机会.
而sleep()的运用，也说明了这一点.