淺談時間函數gettimeofday的成本

我們在程序中會頻繁地取當前時間，例如處理一個http請求時，兩次調用gettimeofday取差值計算出處理該請求消耗了多少秒。這樣的調用無處不在，所以我們有必要詳細了解下，gettimeofday這個函數做了些什麼？內核1ms一次的時鐘中斷處理真的可以支持tv_usec字段達到微秒精度嗎？它的調用成本在i386/x86_64體系架構上代價一樣嗎？如果在系統繁忙時，頻繁的調用它有問題嗎？

gettimeofday是C庫提供的函數（不是系統調用），它封裝了內核裡的sys_gettimeofday系統調用，就是說，歸根到底是系統調用。

但是，內核對於x86_64體系結構下，除了普通的系統調用外，還提供了sysenter和vsyscall方式來獲取內核態的數據。目前我們使用的操作系統大都是x86_64體系的，如果我們用strace命令跟蹤，就會發現gettimeofday命令實際上沒有執行系統調用（i386體系會有），這是因為：x86_64體系上，使用vsyscall實現了gettimeofday這個系統調用。具體就是，創建了一個共享的內存頁面，它是在內核態的，它的數據由內核來維護，但是，用戶態也有權限訪問這個內核頁面，由此，不通過中斷gettimeofday也就拿到了系統時間。

接下來，我來詳細回答以上4個問題。

一、gettimeofday做了些什麼？

它把內核保存的牆上時間和jiffies綜合處理後返回給用戶。解釋下牆上時間和jiffies是什麼：1、牆上時間就是實際時間（1970/1/1號以來的時間），它是由我們主板電池供電的（裝過PC機的同學都了解）RTC單元存儲的，這樣即使機器斷電了時間也不用重設。當操作系統啟動時，會用這個RTC來初始化牆上時間，接著，內核會在一定精度內根據jiffies維護這個牆上時間。2、jiffies就是操作系統啟動後經過的時間，它的單位是節拍數。有些體系架構，1個節拍數是10ms，但我們常用的x86體系下，1個節拍數是1ms。也就是說，jiffies這個全局變量存儲了操作系統啟動以來共經歷了多少毫秒。我們來看看gettimeofday是如何做的。首先它調用了sys_gettimeofday系統調用。

[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，它調用do_gettimeofday函數取到當前時間存儲到局部變量ktv上，www.linuxidc.com 然後調用copy_to_user把結果復制到用戶空間。每個體系都有自己的實現，我這裡就簡單列下x86_64體系下do_gettimeofday的實現：

[cpp]

1. void do_gettimeofday(struct timeval *tv)
2. {
3. unsigned long seq, t;
4. unsigned int sec, usec;
6. do {
7. seq = read_seqbegin(&xtime_lock);
9. sec = xtime.tv_sec;
10. usec = xtime.tv_nsec / 1000;
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 */
21. t = (jiffies - wall_jiffies) * (1000000L / HZ) +
22. do_gettimeoffset();
23. usec += t;
25. } while (read_seqretry(&xtime_lock, seq));
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修正後返回給用戶而已。而xtime變量和jiffies的維護更新頻率，就決定了時間精度，上面說了，每10或者1ms才處理一次時鐘中斷，難道精度只到1ms嗎？繼續往下。