每天進步一點點——Linux系統中的時間處理

轉載請說明出處：http://blog.csdn.net/cywosp/article/details/25839551

在程式中時間處理往往是一個麻煩的事，Linux系統提供了很多關於時間處理的函數，我們可以用這些函數來完成我們所需要的功能。那麼在程式中一般會關心哪些時間問題呢？

• 真即時間：程式啟動並執行時間，即程式啟動到程式消亡所用時間或程式運行到現在所經過的時間
• 進程時間：一個進程所使用的CPU時間總量，適用於對程式、演算法效能的檢查或最佳化

本文只關注真即時間的處理與轉換
一、Epoch無論地理位置如何，Linux系統內部對時間的表示方式均是以自Epoch以來的秒數來度量的，Epoch即通用協調時間（UTC，以前也稱為格林威治標準時間，或GMT）的1970年1月1日零點零分零秒。這大致也是UNIX系統問世的時間。該時間可儲存於time_t類型的變數中。

在32位Linux系統中，time_t是一個有符號整數，可以表示的日期範圍從1901年12月13日20時45分52秒至2038年1月19日03:14:07。因此，32位系統的機器都將面臨2038年的問題，當然這我們不必擔心，到了2038年，我相信這些系統早已升級為64位或者更多位的系統了。不過有些壽命更長的嵌入式裝置，可能還會受到此問題的影響。

二、時間轉換函式如所示，儲存於time_t變數的數值可以和其他時間格式相互轉換，其中還包含列印輸出。這些函數屏蔽了因時區、夏令時（DST）制和本地化等問題給轉換所帶來的種種複雜          

三、函數詳解    1. 系統調用gettimeofday()，用於tv指向的緩衝中返回日曆時間，其聲明如下

#include <sys/time.h>
// Return 0 on success, or -1 on errorint gettimeofday (struct timeval* tv, struct timezone* tz);
tv所指向的結構體如下struct timeval {    time_t          tv_sec;          /* Seconds since 00:00:00, 1 Jan 1970 UTC*/    susecond_t   tv_usec;        /* Additional microseconds (long int)*/};gettimeofday()函數提供到微秒級的精度並儲存於tv_usec中，這樣的精度對大多數程式來說已經能夠滿足。在x86-64平台上，gettimeofday()不是系統調用，而是在使用者態實現的，沒有環境切換和陷入核心的開銷，因此其速度是比較快的[1]。參數tz是一個曆史產物，在早期的UNIX系統實現中使用其來擷取系統的時區資訊，目前已被廢棄，因此在調用時始終置為NULL。

    2. 系統調用time()，其返回自Epoch以來的秒數，聲明如下

#include <time.h>
// Returns number of seconds since the Epoch, or (time_t)-1 on errortime_t time (time_t* timep);
如果timep參數不為NULL，那麼還會將自Epoch以來的的秒數置於timep所指向的位置中。但是在日常使用中我們都採用簡單的調用方式t = time (NULL)。從函數說明上可以得知gettimeofday()的精確度要比time()要高。

    3.  time_t可用於儲存Epoch到現在的秒數，這個數值非常不便於我們直接解釋，因為我們更容易接受的是MM-DD-YY HH:MIN:SS的形式。Linux中提供了簡單的ctime()函數來處理time_t的轉換

#include <time.h>
// Returns pointer to statically allocated string terminated by newline and \0 on success, or NULL on errorchar* ctime (const time_t* timep);
把一個指向time_t的指標作為timep參數傳入函數，將返回一個長達26個位元組的字串，內含標準格式的日期和時間，如下：    Wed May  14  15:22:34  2014該字串包含分行符號合終止空位元組各一。ctime()函數在進行行轉換時會自動對本地時區和DST設定加以考慮。返回的字串經由靜態分配的，因此無需調用free函數，正因如此，該函數是不可重新進入的（非安全執行緒的），安全執行緒的版為ctime_r()。

    4. time_t與struct tm之間的轉換

struct tm {    int tm_sec;      /*Seconds (0-60)*/    int tm_min;     /*Minites (0-59)*/    int tm_hour;   /*Hours (0-23)*/    int tm_mday;  /*Day of the month (1-31)*/    int tm_mon;   /*Month (1-12)*/    int tm_year;    /*Year since 1900*/    int tm_wday;   /*Day of the week (Sunday = 0)*/    int tm_yday;    /*Day in the year (0-365; 1 Jan = 0)*/    int tm_isdst;    /*Daylight saving time flag > 0: DST is in effect; = 0: DST is not effect; < 0: DST information not available*/
};結構體tm將日期和時間分解成多個獨立的欄位，這樣能方便程式擷取不同的欄位值來處理。欄位tm_sec的上限為60而不是59，這樣的設計主要是考慮閏秒，偶爾用其將人類日曆調整至精確的天文年（所謂的迴歸年）。如果程式中定義了_BSD_SOURCE測試宏，那麼有glibc定義的tm結構還會包括兩個欄位，一個為long int tm_gmtoff，用於表示時間超出UTC以東的秒數，一個為const char* tm_zone，用於表示時區的縮寫（例如：CEST為歐洲中部夏令時間）。
gmtime()和localtime()兩個函數可將time_t轉換成struct tm。gmtime()直接將time_t分解成UTC時間的tm，localtime()需要考慮時區和夏令時的設定，具體聲明如下：#include <time.h>
// Both return a pointer to a statically allocated broker-down time structure on success, or NULL on errorstruct tm* gmtime (const time_t *timep);struct tm* localtime (const time_t *timep);以上兩個函數都是非安全執行緒的，安全執行緒版本為gmtime_r()和localtime_r()
mktime()函數可以將struct tm轉換成time_t，其聲明如下：#include <time.h>
// Returns seconds since the Epoch corresponding to timeptr on success, or (time_t)-1 on errortime_t mktime (struct tm *timeptr);該函數可能會修改timeptr對應的值，至少會確保對tm_wday和tm_yday欄位的設定，確保這些欄位與其他欄位能夠相互對應起來。同時，mktime()在進行轉換時會對時區進行設定。此外，DST設定的使用與否取決於輸入欄位tm_isdst的值。

• 若tm_isdst為0，則將這一時間視為標準時間（即，忽略夏令時）
• 若tm_isdst大於0，則將這一時間視為夏令時
• 若tm_isdst小於0，則試圖判定DST在每年的這一時間是否生效。這往往是眾望所歸的設定

    5. 將struct tm轉化易於理解的字串

#include <time.h>
// Returns pointer to statically allocated string terminated by newline and \0 on success, or NULL on errorchar* asctime (const struct tm *timeptr);
與ctime()相比，本地時區的設定對asctime()沒有影響。其返回的指標所指向的是由靜態分配的字串，因此其不是安全執行緒的，安全執行緒的版本為asctime_r()，輸出結果大概如下：    Wed May  14  16:43:21 CET 2014
asctime()函數返回的是一個固定形式的字串，有時為了更易於理解，程式不想僅局限於這樣的字串，於是Linux中提供了strftime()函數，聲明如下：#include <time.h>
// Returns number of bytes placed in outstr (excluding terminating null bytes) on success, or 0 on errorsize_t strftime (char *outstr, size_t maxsize, const char *format, const struct tm *timeptr);
outstr中返回的字串按照format參數定義的格式做了格式化，maxsize則是ourstr的最大長度，如果成功則將格式化後的內容寫入outstr所指向的緩衝區中，然後返回字串的真實長度，含終止空位元組，如果真實長度超過了maxsize參數的大小，那麼返回0以表示出錯，且無法確定outstr的內容。參數format是一個字串，類似於printf()參數。具體值在此不做詳解，可以google。
strptime()函數與strftime()函數正好相反，其可以將包含日期和時間的字串轉換成struct tm，聲明如下：#define _XOPEN_SOURCE#include <time.h>
// Returns pointer to next unprocessed character in str on success, or NULL on errorchar* strptime (const char *str, const char *format, struct tm *timeptr);
函數strptime()按照format參數內容對由日期和時間組成的字串str加以解析，並將轉換後的數值儲存於timeptr所指的緩衝中，如果成功，返回指向str中下一個還未解析過的字元，如果所給的str無法和format相對應，則會解析失敗，返回NULL，以示錯誤。最後還需注意，strptime()函數不會設定tm中的tm_isdst欄位。

四、時區不同的國家使用不同的時區和夏時制，對於要輸入輸出時間的程式來說，必須對時區進行考慮，尤其是全球的分布式系統。出於時區資訊太多，Linux系統沒有直接將其編碼於程式或函數庫中，而是以標準格式儲存於檔案。這些檔案位於/usr/share/zoneinfo目錄裡。系統的本地時區則由檔案/etc/localtime定義，其通常是一個連結到/usr/share/zoneinfo下的檔案。

時區檔案格式記敘於tzfile(5)手冊頁，其建立可通過zic(8)（時區資訊編譯器，zone information compiler）工具來完成。zdump(8)命令可根據指定時區檔案中的時區來顯示目前時間

為啟動並執行程式指定一個時區，需要將TZ環境變數設定為一個冒號(:)和時區名稱組成的字串，其中時區名稱定義於/usr/share/zoneinfo中。時區的設定會影響到ctime()、localtime()、mktime()、strftime()等函數，為了擷取時區設定，這些函數都會調用tzset(3)對如下全域變數進行設定：

char *tzname[2];     /*Name of timezone and alternate (DST) timezone*/int daylight;            /*Nonzero if there is an alternate (DST) timezone*/long timezone;       /*Seconds difference between UTC and local standard time*/

五、總結多種系統調用允許我們擷取和設定系統的時間，以及一系列的庫函數能夠使我們完成各種時間標記法之間的轉換。Linux是非即時的多任務作業系統，如果我們在程式中想完全精確的計時和定時時無法做到的，因為當前任務可能會被CPU隨時切換出去，但是在日常的時間處理中，以上這些函數已經足夠滿足需求了。本文沒有涉及到所講述的函數用例，如有在程式中使用到這些函數，可以百度或者google，再者你可以查看https://github.com/ApusApp/Swift/tree/master/swift/base中關於時間處理的實現。

參考[1] http://lwn.net/Articles/446528