浅谈时间函数gettimeofday的成本


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？内核1ms一次的时钟中断处理真的可以支持tv_usec字段达到微秒精度吗？它的调用成本在i386/x86_64体系架构上代价一样吗？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（不是系统调用），它封装了内核里的sys_gettimeofday系统调用，就是说，归根到底是系统调用。

但是，内核对于x86_64体系结构下，除了普通的系统调用外，还提供了sysenter和vsyscall方式来获取内核态的数据。目前我们使用的操作系统大都是x86_64体系的，如果我们用strace命令跟踪，就会发现gettimeofday命令实际上没有执行系统调用（i386体系会有），这是因为：x86_64体系上，使用vsyscall实现了gettimeofday这个系统调用。具体就是，创建了一个共享的内存页面，它是在内核态的，它的数据由内核来维护，但是，用户态也有权限访问这个内核页面，由此，不通过中断gettimeofday也就拿到了系统时间。

接下来，我来详细回答以上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。

[cpp]
  1. asmlinkage long sys_gettimeofday(struct timeval __user *tv, struct timezone __user *tz)  
  2. {  
  3.     if (likely(tv != NULL)) {  
  4.         struct timeval ktv;  
  5.         do_gettimeofday(&ktv);  
  6.         if (copy_to_user(tv, &ktv, sizeof(ktv)))  
  7.             return -EFAULT;  
  8.     }  
  9.     if (unlikely(tz != NULL)) {  
  10.         if (copy_to_user(tz, &sys_tz, sizeof(sys_tz)))  
  11.             return -EFAULT;  
  12.     }  
  13.     return 0;  
  14. }  
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，www.bkjia.com 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：

[cpp]
  1. void do_gettimeofday(struct timeval *tv)  
  2. {  
  3.     unsigned long seq, t;  
  4.     unsigned int sec, usec;  
  5.   
  6.     do {  
  7.         seq = read_seqbegin(&xtime_lock);  
  8.   
  9.         sec = xtime.tv_sec;  
  10.         usec = xtime.tv_nsec / 1000;  
  11.   
  12.         /* i386 does some correction here to keep the clock  
  13.            monotonous even when ntpd is fixing drift. 
  14.            But they didn't work for me, there is a non monotonic 
  15.            clock anyways with ntp. 
  16.            I dropped all corrections now until a real solution can 
  17.            be found. Note when you fix it here you need to do the same 
  18.            in arch/x86_64/kernel/vsyscall.c and export all needed 
  19.            variables in vmlinux.lds. -AK */   
  20.   
  21.         t = (jiffies - wall_jiffies) * (1000000L / HZ) +  
  22.             do_gettimeoffset();  
  23.         usec += t;  
  24.   
  25.     } while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));  
  26.   
  27.     tv->tv_sec = sec + usec / 1000000;  
  28.     tv->tv_usec = usec % 1000000;  
  29. }  
大家看到，只是把xtime加以jiffies修正后返回给用户而已。而xtime变量和jiffies的维护更新频率，就决定了时间精度，上面说了，每10或者1ms才处理一次时钟中断，难道精度只到1ms吗？继续往下。
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