Linux C编程基础：获取时间

1.前言

对于linux下的编程，无论是用户态还是内核态，时间获取都是经常需要使用到的。以下分别从用户态和内核态整理了几个常用的时间获取接口，供编写代码时快速查阅。

linux时间子系统的发展历史及详细介绍，可以参考：深入理解Linux时间子系统。

2.用户态获取时间

• 2.1 clock_gettime()

#include <time.h>

int clock_gettime (clockid_t __clock_id, struct timespec *__tp);

• 作用：根据系统时钟的类型，获取当前时间
• __clock_id：系统时钟的类型。常用取值：
  • CLOCK_REALTIME: 系统相对时间,从UTC 1970-1-1 0:0:0开始计时,更改系统时间会更改获取的值;
  • CLOCK_MONOTONIC: 系统绝对时间/单调时间,为系统重启到现在的时间,更改系统时间对它没有影响;
  • CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID: 本进程到当前代码系统CPU花费的时间;
  • CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID: 本线程到当前代码系统CPU花费的时间;
• __tp: 存放当前的时间。
• 返回值：成功则返回0，失败则返回-1

timespec结构体：

struct timespec
{
  __time_t tv_sec;  /* Seconds. 秒 */
  __syscall_slong_t tv_nsec; /* Nanoseconds.  纳秒*/
};

示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>

long long get_clock_sys_time_ns(void)
{
    struct timespec tp;
    long long time_ns = 0;

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tp);
    time_ns = (long long)tp.tv_sec * 1000000000 + tp.tv_nsec;

    return time_ns;
}

int main(void)
{
    struct timespec tp;

    ///< 获取从1970年1月1日到目前的时间
    memset(&tp, 0, sizeof(struct timespec));
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tp);
    printf("clock_id = CLOCK_REALTIME, sec = %ld, nsec = %ld\n", tp.tv_sec, tp.tv_nsec);

    ///< 获取系统启动时间
    memset(&tp, 0, sizeof(struct timespec));
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tp);
    printf("clock_id = CLOCK_MONOTONIC, sec = %ld, nsec = %ld, sys_time = %lld ns\n", tp.tv_sec, tp.tv_nsec, get_clock_sys_time_ns());

    ///< 获取本进程运行时间
    memset(&tp, 0, sizeof(struct timespec));
    clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &tp);
    printf("clock_id = CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, sec = %ld, nsec = %ld\n", tp.tv_sec, tp.tv_nsec);

    ///< 获取本线程运行时间
    memset(&tp, 0, sizeof(struct timespec));
    clock_gettime(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, &tp);
    printf("clock_id = CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, sec = %ld, nsec = %ld\n", tp.tv_sec, tp.tv_nsec);

    return 0;
}

• 2.2.gettimeofday()

#include <sys/time.h>

int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);

• 作用：获取当前时间（从1970年1月1日到目前的时间）
• tv：当前UTC时间
• tz：当前时区信息
• 返回值：成功则返回0，失败则返回-1

timeval结构体：

struct timeval
{
  __time_t tv_sec;  /* Seconds.  秒*/
  __suseconds_t tv_usec; /* Microseconds.  微秒*/
};

timezone结构体：

struct timezone
  {
    int tz_minuteswest;  /* Minutes west of GMT. 和Greenwich时间差了多少分钟 */
    int tz_dsttime;  /* Nonzero if DST is ever in effect. 日光节约时间的状态  */
  };

示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>

long long get_sys_time_ms(void)
{
    long long time_ms = 0;
    struct timeval tv;

    gettimeofday(&tv, NULL);
    time_ms = ((long long)tv.tv_sec*1000000 + tv.tv_usec) / 1000;

    return time_ms;
}

int main(void)
{
    ///< 获取系统时间
    printf("sys_time = %lld ms\n", get_sys_time_ms());

    return 0;
}

• 2.3.time()

#include <time.h>

time_t time(time_t *tloc);

• 作用：获取1970-01-01 00:00:00 +0000至今的秒数（UTC）
• tloc：返回的秒存储指针
• 返回值：成功则返回秒数，失败则返回-1，错误原因存在errno中。

time_t的类型：

typedef long time_t;

示例：

#include <stdio.h>
#include <time.h>

time_t get_utc_time(void)
{
    return time(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    time_t utc_time = get_utc_time();
    printf("utc_time = %ld s\n", utc_time);

    return 0;
}

• 2.4.localtime()

#include <time.h>

struct tm *localtime(const time_t *timep);

• 作用：将time_t类型的时间转换为struct tm类型的时间
• timep：当前UTC秒数
• 返回值：返回当地时间

tm结构体：

struct tm
{
  int tm_sec;   /* Seconds. [0-60] (1 leap second) */
  int tm_min;   /* Minutes. [0-59] */
  int tm_hour;   /* Hours. [0-23] */
  int tm_mday;   /* Day.  [1-31] */
  int tm_mon;   /* Month. [0-11] 注意：0代表1月，以此类推*/
  int tm_year;   /* Year - 1900.  该值为实际年份减去1900*/
  int tm_wday;   /* Day of week. [0-6] 注意：0代表星期一，以此类推*/
  int tm_yday;   /* Days in year.[0-365] 从每年的1月1日开始的天数，其中0代表1月1日，以此类推*/
  int tm_isdst;   /* DST.  [-1/0/1] 夏玲时标识符*/
};

示例：

#include <stdio.h>
#include <time.h>

time_t get_utc_time(void)
{
    return time(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    time_t utc_time = get_utc_time();
    printf("utc_time = %ld s\n", utc_time);

    struct tm *local_tm = localtime(&utc_time); 
    printf("local time = %.4d-%.2d-%.2d %.2d:%.2d:%.2d\n", local_tm->tm_year + 1900,
                                                           local_tm->tm_mon + 1,
                                                           local_tm->tm_mday,
                                                           local_tm->tm_hour,
                                                           local_tm->tm_min,
                                                           local_tm->tm_sec);

    return 0;
}

• 2.5.localtime_r()

#include <time.h>

struct tm *localtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);

• 作用：将time_t类型的时间转换为struct tm类型的时间
• timep：当前UTC秒数
• result：当地时间
• 返回值：返回当地时间

注：
localtime不是一个线程安全的函数。对于实时性要求较高的系统，多个线程同时调用localtime，可能会造成数据被覆盖。使用localtime_r来替代。

示例：

#include <stdio.h>
#include <time.h>

time_t get_utc_time(void)
{
    return time(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    time_t utc_time = get_utc_time();
    printf("utc_time = %ld s\n", utc_time);
    struct tm result;
    struct tm *local_tm = localtime_r(&utc_time, &result); 
    printf("local time = %.4d-%.2d-%.2d %.2d:%.2d:%.2d\n", local_tm->tm_year + 1900,
                                                           local_tm->tm_mon + 1,
                                                           local_tm->tm_mday,
                                                           local_tm->tm_hour,
                                                           local_tm->tm_min,
                                                           local_tm->tm_sec);

    printf("result time = %.4d-%.2d-%.2d %.2d:%.2d:%.2d\n", result.tm_year + 1900,
                                                            result.tm_mon + 1,
                                                            result.tm_mday,
                                                            result.tm_hour,
                                                            result.tm_min,
                                                            result.tm_sec);

    return 0;
}

• 2.6.gmtime()

#include <time.h>

struct tm *gmtime(const time_t *timep);

• 作用：返回tm结构的GMT时间（UTC时间）
• timep：当前UTC秒数
• 返回值：返回当地时间

例子：

#include <stdio.h>
#include <time.h>

time_t get_utc_time(void)
{
    return time(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    time_t utc_time = get_utc_time();
    printf("utc_time = %ld s\n", utc_time);

    struct tm *gmt_tm = gmtime(&utc_time); 
    printf("gmt time = %.4d-%.2d-%.2d %.2d:%.2d:%.2d\n", gmt_tm->tm_year + 1900,
                                                         gmt_tm->tm_mon + 1,
                                                         gmt_tm->tm_mday,
                                                         gmt_tm->tm_hour,
                                                         gmt_tm->tm_min,
                                                         gmt_tm->tm_sec);

    return 0;
}

localtime和gmtime的区别:
localtime和gmtime都是C语言中的函数，用于将time_t类型的时间转换为struct tm类型的时间。它们的区别在于，gmtime将time_t转换为UTC时间，即世界标准时间，而localtime将time_t转换为本地时间。
例子：使用gmtime与localtime接口返回的小时数来计算当地时区

#include <stdio.h>
#include <time.h>

time_t get_utc_time(void)
{
    return time(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    time_t utc_time = get_utc_time();
    printf("utc_time = %ld s\n", utc_time);

    struct tm *gmt_tm = gmtime(&utc_time); 
    printf("gmt time = %.4d-%.2d-%.2d %.2d:%.2d:%.2d\n", gmt_tm->tm_year + 1900,
                                                         gmt_tm->tm_mon + 1,
                                                         gmt_tm->tm_mday,
                                                         gmt_tm->tm_hour,
                                                         gmt_tm->tm_min,
                                                         gmt_tm->tm_sec);
    int gmt_hour = gmt_tm->tm_hour;

    struct tm *local_tm = localtime(&utc_time); 
    printf("local time = %.4d-%.2d-%.2d %.2d:%.2d:%.2d\n", local_tm->tm_year + 1900,
                                                           local_tm->tm_mon + 1,
                                                           local_tm->tm_mday,
                                                           local_tm->tm_hour,
                                                           local_tm->tm_min,
                                                           local_tm->tm_sec);
    int local_hour = local_tm->tm_hour;


    int local_time_zone = local_hour - gmt_hour;
    if (local_time_zone < -12) 
    {
        local_time_zone += 24; 
    } 
    else if (local_time_zone > 12) 
    {
        local_time_zone -= 24;
    }else{}

    printf("local_time_zone = %d\n", local_time_zone);

    return 0;
}

3.内核态获取时间

• 3.1.do_gettimeofday()（比较老的函数，新内核可能不存在了）

#include <linux/time.h> 

void do_gettimeofday(struct timeval *tv);

• 作用：与C标准库中gettimeofday()用法相同
• tv：当前UTC时间

timeval结构体：

struct timeval
{
  __time_t tv_sec;  /* Seconds.  秒*/
  __suseconds_t tv_usec; /* Microseconds.  微秒*/
};

示例：

#include <linux/module.h>
#include<linux/time.h>
MODULE_LICENSE("GPL");

int __init do_gettimeofday_init(void)
{
    printk("do_gettimeofday test begin.\n");
    struct timeval now=
    {
        .tv_sec=0,
        .tv_usec=0
    };            //声明一个变量
    do_gettimeofday(&now); //调用函数获取时间，此时间是距离1970-01-01 00:00:00的时间
    /*显示当前时间差*/
    printk("the seconds of the day is: %ld\n", now.tv_sec);       //秒数
    printk("the microseconds of the day is: %ld\n", now.tv_usec); //微秒数
    printk("do_gettimeofday test over.\n");
    return 0;
}

void __exit do_gettimeofday_exit(void)
{
    printk("Goodbye do_gettimeofday test\n");
}

module_init(do_gettimeofday_init);
module_exit(do_gettimeofday_exit);

• 3.2.基于ktime_t格式的时间
  参考：linux kernel时钟获取

• 1. ktime_get()

  #include "linux/ktime.h"
  
  ktime_t ktime_get(void);
  

  作用：获取的是CLOCK_MONOTONIC时间。通过ktime_get获取的时间是不统计设备休眠时间的，并且这个时间统计的起始点则是设备启动后。
  返回值：返回ktime_t格式的数据类型，单位为纳秒。

  ktime_t的定义：

  typedef s64	ktime_t;
  

  示例：

  time_test_drv_init
  ktime_t curTime = 0;
  curTime = ktime_get();
  TIME_TEST_INFO("ktime_get:%lld ns", curTime);
  

• 1. ktime_get_ts64()

  #include "linux/time64.h"
  
  void ktime_get_ts64(struct timespec64 *ts)；
  

  作用：和ktime_get的功能是完全一样的，区别在于对时间的表示数据类型由ktime_t变成了timespec64。

  timespec64的定义如下:

  struct timespec64 {
  	time64_t	tv_sec;			/* seconds */
  	long		tv_nsec;		/* nanoseconds */
  };
  

  timespec64中包含了秒和纳秒，相对ktime_t纳秒这个时间表示更加适合人类查看.

  示例：

  static void show_time_ts64(const char* caller, const int line, const struct timespec64 *curTimeTs)
  {
  	pr_info("%s,%d:%lld s %ld ns\n", caller, __LINE__, curTimeTs->tv_sec, curTimeTs->tv_nsec);
  }
  
  time_test_drv_init
  struct timespec64 curTimeTs;
  ktime_get_boottime_ts64(&curTimeTs);
  show_time_ts64(__func__, __LINE__, &curTimeTs);
  

• 3.ktime_get_boottime()

  static inline ktime_t ktime_get_boottime(void);
  

  作用:ktime_get_boottime获取的时间和ktime_get最大的不同是其包含了设备进入休眠的时间，其这个时间统计的起始点也是设备启动后。
  返回值：返回值类型为ktime_t，单位为纳秒。

  示例：

  time_test_drv_init
  ktime_t curTime = 0;
  curTime = ktime_get_boottime();
  TIME_TEST_INFO("ktime_get_boottime:%lld ns", curTime);
  

• 4.ktime_get_boottime_ts()

  void ktime_get_boottime_ts64(struct timespec64 *)；
  

  作用：ktime_get_boottime_ts相对于ktime_get_boottime的功能是完全一样的，区别在于对时间的表示数据类型由ktime_t变成了timespec64。

• 5.ktime_get_real()

  ktime_t ktime_get_real(void);
  

  作用：ktime_get_real获取的时间的起点不是设备的启动时间点了，而是相对UTC的，即从1970开始。
  示例：

  time_test_drv_init
  ktime_t curTime = 0;
  curTime = ktime_get_real();
  TIME_TEST_INFO("ktime_get_real:%lld ns", curTime);
  

• 6.ktime_get_real_ts()

  void ktime_get_real_ts(struct timespec64 *)；
  

  作用：ktime_get_real_ts相对于ktime_get_real的功能是完全一样的，区别在于对时间的表示数据类型由ktime_t变成了timespec64。
  示例：

  time_test_drv_init
  struct timespec64 curTimeTs;
  ktime_get_real_ts64(&curTimeTs);
  

• 7.汇总

  • 7.1.返回ktime_t的时间接口：

  接口	时间体系	说明
  ktime_t ktime_get( void );	CLOCK_MONOTONIC	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  ktime_t ktime_get_boottime( void );	CLOCK_BOOTTIME	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  ktime_t ktime_get_real( void );	CLOCK_REALTIME	自然时间体系
  ktime_t ktime_get_clocktai( void );	CLOCK_TAI	自然时间体系
  ktime_t ktime_get_raw( void );	CLOCK_MONOTONIC_RAW	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系

  • CLOCK_REALTIME和CLOCK_TAI，这两个都是自然时间体系，不同的是后者不受闰秒的影响。不过由于用户空间可能会设置时间，NTP也会调节自然时间，所以这两个时间体系都有可能会产生回跳。

  • CLOCK_BOOTTIME、CLOCK_MONOTONIC和CLOCK_MONOTONIC_RAW，这三个都是以系统启动的时间点为时间原点的时间体系。CLOCK_BOOTTIME、CLOCK_MONOTONIC，不同点是前者不会在系统休眠时暂停走时而后者会，相同点是两者都受NTP的影响。CLOCK_MONOTONIC_RAW和CLOCK_MONOTONIC基本相同，但是前者不受NTP的影响。

  • 7.2.返回u64(纳秒)的时间接口：

  接口	时间体系	说明
  u64 ktime_get_ns( void );	CLOCK_MONOTONIC	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  u64 ktime_get_boottime_ns( void );	CLOCK_BOOTTIME	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  u64 ktime_get_real_ns( void );	CLOCK_REALTIME	自然时间体系
  u64 ktime_get_clocktai_ns( void );	CLOCK_TAI	自然时间体系
  u64 ktime_get_raw_ns( void );	CLOCK_MONOTONIC_RAW	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系

  • 7.3.返回timespec64的时间接口：

  接口	时间体系	说明
  void ktime_get_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_MONOTONIC	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  void ktime_get_boottime_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_BOOTTIME	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  void ktime_get_real_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_REALTIME	自然时间体系
  void ktime_get_clocktai_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_TAI	自然时间体系
  void ktime_get_raw_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_MONOTONIC_RAW	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系

  #include "linux/time64.h"
  
  struct timespec64 {
  	time64_t    tv_sec;         /* seconds */
  	long        tv_nsec;        /* nanoseconds */
  };
  

  • 7.4.返回time64_t(秒数)的时间接口：

  接口	时间体系	说明
  time64_t ktime_get_seconds( void );	CLOCK_MONOTONIC	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  time64_t ktime_get_boottime_seconds( void );	CLOCK_BOOTTIME	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  time64_t ktime_get_real_seconds( void );	CLOCK_REALTIME	自然时间体系
  time64_t ktime_get_clocktai_seconds( void );	CLOCK_TAI	自然时间体系
  time64_t ktime_get_raw_seconds( void );	CLOCK_MONOTONIC_RAW	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系

  • 7.5.返回粗略ktime_t的时间接口：

  接口	时间体系	说明
  ktime_t ktime_get_coarse( void );	CLOCK_MONOTONIC	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  ktime_t ktime_get_coarse_boottime( void );	CLOCK_BOOTTIME	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  ktime_t ktime_get_coarse_real( void );	CLOCK_REALTIME	自然时间体系
  ktime_t ktime_get_coarse_clocktai( void );	CLOCK_TAI	自然时间体系

  • 7.6.返回粗略u64(纳秒数)的时间接口：

  接口	时间体系	说明
  u64 ktime_get_coarse_ns( void );	CLOCK_MONOTONIC	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  u64 ktime_get_coarse_boottime_ns( void );	CLOCK_BOOTTIME	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  u64 ktime_get_coarse_real_ns( void );	CLOCK_REALTIME	自然时间体系
  u64 ktime_get_coarse_clocktai_ns( void );	CLOCK_TAI	自然时间体系

  • 7.7.返回粗略timespec64的时间接口：

  接口	时间体系	说明
  void ktime_get_coarse_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_MONOTONIC	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  void ktime_get_coarse_boottime_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_BOOTTIME	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  void ktime_get_coarse_real_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_REALTIME	自然时间体系
  void ktime_get_coarse_clocktai_ts64( struct timespec64 * );	CLOCK_TAI	自然时间体系

  • 7.8.返回fast u64(纳秒数)的时间接口：

  接口	时间体系	说明
  u64 ktime_get_mono_fast_ns( void );	CLOCK_MONOTONIC	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  u64 ktime_get_boot_fast_ns( void);	CLOCK_BOOTTIME	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系
  u64 ktime_get_real_fast_ns( void );	CLOCK_REALTIME	自然时间体系
  u64 ktime_get_raw_fast_ns( void );	CLOCK_MONOTONIC_RAW	以系统启动的时间点为时间原点的时间体系

4.自己实现的延时函数示例

void delay_us(uint32_t nus)
{
    volatile uint32_t startts, endts, ts;

    ts = nus;

    startts = get_time_us();
    endts = startts + ts;

    if (endts > startts)
    {
        while (get_time_us() < endts);
    }
    else
    {
        while (get_time_us() > endts);
        while (get_time_us() < endts);
    }
}

5.有关__clock_id的详细说明

clockid的取值常用的有以下：

• CLOCK_REALTIME，就是我们所说的自然时间，由于计算机上的时间有可能不准，所以是可以设置的，所以有可能会产生跳跃。后面所有的时间体系都是不可设置的，下面不再一一说明了。CLOCK_REALTIME_ALARM、CLOCK_REALTIME_COARSE、CLOCK_TAI虽然本身是不可设置的，但是都会受到CLOCK_REALTIME设置的影响，有可能会产生跳跃。

• CLOCK_REALTIME_ALARM，和CLOCK_REALTIME相同，在定时器设置时才有用，ALARM代表的是定时设置，如果目标定时时间到了的时候系统在休眠，会唤醒系统。

• CLOCK_REALTIME_COARSE，和CLOCK_REALTIME相同，精度不高但是获取比较快。

• CLOCK_TAI，和CLOCK_REALTIME相同，但是不考虑闰秒问题，TAI是International Atomic Time的反向简称。

• CLOCK_MONOTONIC，由于前面几个时间体系都有可能会产生回跳，计算机中需要有一个单调递增的时间体系。此时间体系的时间原点并不重要，在Linux中是以系统启动的时间点作为时间原点，在计算机休眠时会暂停走时，受adjtime和NTP的影响可能会向前跳跃。

• CLOCK_MONOTONIC_COARSE，同上，但是精度降低，访问更快。

• CLOCK_MONOTONIC_RAW，同CLOCK_MONOTONIC，但是不受adjtime和NTP的影响。

• CLOCK_BOOTTIME，以系统启动时间为时间原点的时间体系，不受其它因素的影响，计算机休眠时依然走时。

• CLOCK_BOOTTIME_ALARM，同上，在定时器设置时才有用，ALARM代表的是定时设置，如果目标定时时间到了的时候系统在休眠，会唤醒系统。

• CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID，以进程创建时间为时间原点，进程运行时走时，进程休眠时暂停走时。

• CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID，以线程创建时间为时间原点，线程运行时走时，线程休眠时暂停走时。