展开了谈谈时间函数gettimeofday

我们在程序中会频繁地取当前时间，例如处理一个http请求时，两次调用gettimeofday取差值计算出处理该请求消耗了多少秒。这样的调用无处不在，所以我们有必要详细了解下，gettimeofday这个函数做了些什么？它可以真的精确到微秒吗？它的调用成本有多大？如果在系统繁忙时，频繁的调用它有问题吗？

gettimeofday是C库提供的函数（C库做了些自己的优化），然而也封装了sys_gettimeofday系统调用，就是说，执行这个函数，除却C库的优化，必然执行一次系统调用。接下来，我来试着回答以上4个问题。

一、gettimeofday做了些什么？

它把内核保存的墙上时间和jiffies综合处理后返回给用户。解释下墙上时间和jiffies是什么：1、墙上时间就是实际时间（1970/1/1号以来的时间），它是由我们主板电池供电的（装过PC机的同学都了解）RTC单元存储的，这样即使机器断电了时间也不用重设。当操作系统启动时，会用这个RTC来初始化墙上时间，接着，内核会在一定精度内根据jiffies维护这个墙上时间。2、jiffies就是操作系统启动后经过的时间，它的单位是节拍数。有些体系架构，1个节拍数是10ms，但我们常用的x86体系下，1个节拍数是1ms。也就是说，jiffies这个全局变量存储了操作系统启动以来共经历了多少毫秒。我们来看看gettimeofday是如何做的。首先它调用了sys_gettimeofday系统调用。

asmlinkage long sys_gettimeofday(struct timeval __user *tv, struct timezone __user *tz)
{
	if (likely(tv != NULL)) {
		struct timeval ktv;
		do_gettimeofday(&ktv);
		if (copy_to_user(tv, &ktv, sizeof(ktv)))
			return -EFAULT;
	}
	if (unlikely(tz != NULL)) {
		if (copy_to_user(tz, &sys_tz, sizeof(sys_tz)))
			return -EFAULT;
	}
	return 0;
}

大家看到，它调用do_gettimeofday函数取到当前时间存储到局部变量ktv上，然后调用copy_to_user把结果复制到用户空间。每个体系都有自己的实现，我这里就简单列下x86_64体系下do_gettimeofday的实现：

void do_gettimeofday(struct timeval *tv)
{
	unsigned long seq, t;
 	unsigned int sec, usec;

	do {
		seq = read_seqbegin(&xtime_lock);

		sec = xtime.tv_sec;
		usec = xtime.tv_nsec / 1000;

		/* i386 does some correction here to keep the clock 
		   monotonous even when ntpd is fixing drift.
		   But they didn't work for me, there is a non monotonic
		   clock anyways with ntp.
		   I dropped all corrections now until a real solution can
		   be found. Note when you fix it here you need to do the same
		   in arch/x86_64/kernel/vsyscall.c and export all needed
		   variables in vmlinux.lds. -AK */ 

		t = (jiffies - wall_jiffies) * (1000000L / HZ) +
			do_gettimeoffset();
		usec += t;

	} while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));

	tv->tv_sec = sec + usec / 1000000;
	tv->tv_usec = usec % 1000000;
}

二、gettimeofday可以精确到微秒吗？

不可以，上面说了，它最终的精确是由jiffies全局变量决定的，而jiffies的单位是节拍数，节拍数又是跟体系结构对应的。目前，x86-64的节拍数是1ms，所以，我们取到的当前时间精度只到毫秒，而且会有正负0.5毫秒的误差。

那么，为什么不能精确到微秒或者纳秒呢？难道cpu现在号称nGHZ都是假的吗？

呵呵，是真的，但是时钟的维护不可能精确到指令级的。时钟就是靠jiffies变量维护的，jiffies是通过时钟中断来维护的。所以，当我们需要更精确的时间精度时，就意味着在一秒钟会有更多的时钟中断需要内核处理，这会加大操作系统的负担。以前，是10ms一个节拍数，意味着时间精度只到10ms。现在随着每秒钟CPU可以处理更多的指令，大部分体系架构下，都是1ms一个节拍数，这意味着目前大家觉得，1秒钟发送1000个时钟中断最平衡。每个时钟中断来临时，中断处理程序会更新jiffies这个变量。

三、它的成本有多大？如果在系统繁忙时，几毫秒调用一次有问题吗？

最上面已经说了，这是个系统调用！最简单的系统调用都有无法避免的成本：陷入内核态。当我们调用gettimeofday时，将会向内核发送软中断，然后将陷入内核态，这时内核至少要做下列事：处理软中断、保存所有寄存器值、从用户态复制函数参数到内核态、执行、将结果复制到用户态。这些都是成本！

而且，它本身的精度是1ms处理一次CPU的时钟中断，精度也只到毫秒，如果我们只是几毫秒就调用一次，就有点得不偿失了。所以，当我们的代码中在运行时非常频繁的调用gettimeofday时，请思考下，是否每次都有必要？是否需要缓存下这个值在用户空间呢？学学nginx或者JVM吧。

四、关于jiffies值得一提的两点

先看看它的定义：

volatile unsigned long __jiffies;

只谈两点。

1、它用了一个C语言里比较罕见的关键字volatile，这个关键字用于解决并发问题。C语言编译器很喜欢做优化的，它不清楚某个变量可能会被并发的修改，例如上面的jiffies变量首先是0，如果首先一个CPU修改了它的值为1，紧接着另一个CPU在读它的值，例如 __jiffies = 0; while (__jiffies == 1)，那么在内核的C代码中，如果不加volatile字段，那么第二个CPU里的循环体可能不会被执行到，因为C编译器在对代码做优化时，生成的汇编代码不一定每次都会去读内存！它会根据代码把变量__jiffies设为0，并一直使用下去！而加了volatile字段后，就会要求编译器，每次使用到__jiffies时，都要到内存里真实的读取这个值。

2、它的类型是unsigned long，在32位系统中，最大值也只有43亿不到，从系统启动后49天就到达最大值了，之后就会清0重新开始。那么jiffies达到最大值时的回转问题是怎么解决的呢？或者换句话说，我们需要保证当jiffies回转为一个小的正数时，例如1，要比几十秒毫秒前的大正数大，例如4294967290，要达到jiffies(1)>jiffies(4294967290)这种效果。

内核是通过定义了两个宏来解决的：

#define time_after(a,b)		\
	(typecheck(unsigned long, a) && \
	 typecheck(unsigned long, b) && \
	 ((long)(b) - (long)(a) < 0))
#define time_before(a,b)	time_after(b,a)

很巧妙的设计！仅仅把unsigned long转为long类型后相减比较，就达到了jiffies(1)>jiffies(4294967290)效果，简单的解决了jiffies的回转问题，赞一个。