Linux time

時間主要有三款：

• CLOCK_REALTIME (wall clock，calendar)：目前時間
• 對 Epoch 時間 1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC) 開始算。
• Epoch 時間大約是 UNIX 系統誕生的時陣。Epoch 意思是「出現新進步和大變革的時代」，UNIX 系統誕生家己講是大時代。
• 紀錄 Epoch 開始的時間，其中「秒」存在資料類型 time_t 的變數，在 32-bit Linux 系統是 signed 32-bit，可計約 68 年，到 2038 年會有溢位問題。
• 有時需要調整，可能透過網路或 date 指令手動調整，所以有突然間跳較快跳較慢。
• 會使搭配獨立的硬體時鐘，但不是必要的。硬體時鐘 (Real-Time Clock (RTC)、CMOS clock、BIOS clock)，可能只有精確到秒，關機時會使靠電池繼續走，開機時電腦會使馬上取得目前時間。此外，它嘛也可能提供鬧鐘、喚醒等其它功能。只有適當的時機才會去存取硬體時間，例如開機時、或有所調整時，可透過系統管理指令 hwclock 或 /etc/rtcN 存取。
• CLOCK_MONOTONIC 開機時間，對開機開始算，就是 uptime 顯示的時間，是一直增加的，不受調時間影響而有跳的問題。
• CPU time：程式實際有用到 CPU 的時間片段總和，還可以細分成 user 及 system 兩部份，分別是在 user mode 花的時間，以及因此 process 執行 system call 在 kernel 的執行時間。指令 time 用來量測程式使用的 CPU time。程式內部可用系統呼叫 times() 及 getrusage()，或函式 clock() 量測 CPU time。

軟體上的任何計時，都是由 kernel 內部固定週期的 jiffy 中斷來驅動。目前時間可能透過網路調整，但驅動還是靠 jiffy。jiffy 週期精準度，會影響軟體計時的精準度，沒有網路校時，一段時間後，目前時間可能就不準了。

每次 jiffy 中斷，Kernel 系統變數 jiffies 就會加一。jiffy 中斷週期換著頻率，就是 Kernel 編譯設定值 HZ，在不同版本的 kernel 或處理器平台會有不同的值，一般在 100 ~ 1000 之間，也就是 jiffy 週期是在 0.01秒 ~ 0.001秒之間，決定了許多系統呼叫時間的精確度。例如 select() 跟 sigtimedwait() 的 timeout、getrusage() 的 CPU time 量測等。系統呼叫 times() 是個特例，回報的時間單位是 kernel 常數 USER_HZ，應用程式可使用sysconf(_SC_CLK_TCK) 得知 USER_HZ。

High-resolution timers (HRTs)
Linux 2.6.21 以前，系統時間最小單位是 jiffy，之後的 CONFIG_HIGH_RES_TIMERS 開始支援高解析度 timer，讓時間可以更精確，一般可達 microsecond (原理？)。可用系統呼叫 clock_getres() 或看 /proc/timer_list 的 resolution 查看 timer 解析度。

取得時間的系統呼叫

• time_t // 回傳 Epoch 開始的秒數。-1 當 timep 有誤時。
  time(
      time_t *timep); // 非 NULL 時亦 回傳 Epoch 開始的秒數。

  一般使用 time(NULL)，time() 實作可能是呼叫 gettimeofday()。

• int // 0 成功，–1 錯誤
  gettimeofday(
      struct timeval *tv, // 提供空間回傳 Epoch 秒數和 µsec。
      struct timezone *tz); // 廢棄，需指定為 NULL。

  雖然 tv_usec 提供 microsecond precision，但實際 accuracy 由 architecture-dependent 實作決定。
• clock_gettime()：取得秒數和 nsec (struct timespec)。
• CLOCK_REALTIME 從 Epoch 開始計數。
• CLOCK_MONOTONIC 從開機開始計數。實際上開機多久是紀錄和 realtime (wall clock) 的時間差 (變數 wall_to_monotonic)，如有調校 realtime 或 suspend，wall_to_monotonic 也會跟著一起調整。(為什麼不用 jiffies 轉換就好？)
• 其它還有 CPU 時間等。

註：Epoch 的 time()、gettimeofday()、和 CLOCK_REALTIME 都是 __get_realtime_clock_ts()，而 CLOCK_MONOTONIC 是用 ktime_get_ts()。

設定或調校目前時間

在這段，設定和調校意思不同，設定跳躍式調整，調校是逐漸調整。

• 設定時間
• settimeofday()
• clock_settime()：使用 settimeofday() 設定日期時間，限 realtime。
• stime()：使用 settimeofday() 設定秒數。glibc 2.31 以後移除，該改用 clock_settime()。
• 調校時間
• adjtimex()
• adjtime()：呼叫 adjtimex() 調校時間

日期 (calendar) 時間

struct timeval {
    time_t      tv_sec;     // Epoch 開始的秒數
    suseconds_t tv_usec;    // 額外 microseconds (long int)
};

時間轉換函數

time_t 和其它格式間轉換，包括 struct tm、固定或使用者定義的列印格式，內含時區、日光節約時間、和 localization 轉換的處理。

函數庫函數將 Epoch 秒數 (time_t) 轉成年月日時分秒等分別紀錄的 struct tm 格式

• gmtime(): 轉成 struct tm
• gmtime_r()：gmtime() 的 reentry 版本，存在使用者提供的 struct tm。
• localtime()：轉成 struct tm，考量時區和日光節約時間，同時做 tzset() 的動作。
• localtime_r()：同 localtime()，但存在使用者提供的資料結構，不設 tzname, timezone, daylight。

tm_sec 欄位在閏秒時會到 60。

struct tm 轉成字串

• asctime(), asctime_r()：轉成標準的列印格式
• strftime()：轉成自訂的列印格式

ctime(t)：相當於 asctime(localtime(t))，自動考量時區和日光節約時間。ctime_r()

反過來轉換的有
strptime()：字串轉成 struct tm
mktime()、timegm()、timelocal()：struct tm 轉成 time_t

mktime() 忽略 tm_wday 和 tm_yday 原本的值並修正，其它值超出範圍或負數也會調整。會考量時區。tm_isdst 決定是否使用 DST 設定，0 忽略 DST、正值不管日期總是調整 DST、負值依據日期調整 DST，最後有調整 tm_isdst 設為正值、否則設為 0。

timezone
幾乎所有時間計數不需要考慮 timezone，只有顯示時需要轉換成本地時間。少數，例如 vfat 檔案系統，如果 kernel 的 timezone 不對，檔案的時戳會設錯。hwclock --hctosys 依據 TZ 或 /usr/share/zoneinfo 設定 kernel timezone。

TZ 有兩種格式

• <dst>[offset],start[/time],end[/time]]
• <std><offset>[<dst>]
• <std> 是時區名稱，至少有三個英文字母
• <offset> 加上本地時間可以得到 UTC 時間，在子午線東方會是負的。格式是 [-]hh[:mm[:ss]]，可以包括時分秒。
• <dst> 有用到日光節約時間 (datlight saving time) 才有，說明一年中的哪些日子改用不同的 <offset>，格式是 dst[offset],start[/time],end[/time]
• dst 是日光節約時間的名稱
• offset 格式跟上述 <offset> 一樣，是日光節約日用的 <offset>，如省略則預設提早一個小時
• start 跟 end 說明使用日光節約時間開始跟結束的日子，有三種格式
• Jn：n 為 1 ~ 365 的 Julian day，不計 Leap days，所以二月二十九日不能表示，三月一日是 60。
• n：n 為 0 ~ 365 的 Julian day，閏年加上二月二十九日。
• Mm.w.d：月、周、日
• time 表示切換日光節約時間是在本地時間幾點切換，如省略則是 02:00:00。
• 範例：NZST-12:00:00NZDT-13:00:00,M10.1.0,M3.3.0
• :[filespec]

timer (expires  at some  point  in  the  future, and optionally at repeated intervals)：見系統呼叫 alarm()、getitimer()、timerfd_create()、timer_create()。

Timer slack
從 Linux 2.6.28 開始，可以控制 thread 的 "timer  slack"  值，延遲喚醒 certain 系統呼叫 that  block  with a timeout，讓 kernel 合併 (coalesce) 一些喚醒事件，來減少喚醒次數並節省電源。細節請見系統呼叫 prctl() 的 PR_SET_TIMERSLACK 描述。

參考

1. man 7 time
2. man hwclock
3. man ctime
4. man strftime
5. man strptime
6. man timezone
7. https://lirobo.blogspot.com/2015/08/busybox-ntpd.html
8. TLPI chap. 10 和 chap 26
   

延伸閱讀

• man rtc
• Documentation/rtc.txt
• man adjtimex
• userspance 延遲用 sleep、kernel 延遲用 mdelay
• sched_yield、pthread_delay_np
•  [轉載整理]Linux系統時間
• 使用 realtime 的呼叫
  * 顯示日期時間
  * 檔案時間用 timeval：utimes()
  * select(), pselect()
  * sem_timedwait() semtimedwait()
  
  和 realtime 無關的呼叫
  * timeval 運算：timercmp(), timersub()
  
  使用 int 表示 msec
  * int32_t 範圍是 -2147483648 ~ 2147483647 約 24 天，uint32_t 的話約 49 天。