每天进步一点点——Linux系统中的时间处理

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在程序中时间处理往往是一个麻烦的事，Linux系统提供了很多关于时间处理的函数，我们可以用这些函数来完成我们所需要的功能。那么在程序中一般会关心哪些时间问题呢？

• 真实时间：程序运行的时间，即程序启动到程序消亡所用时间或程序运行到现在所经过的时间
• 进程时间：一个进程所使用的CPU时间总量，适用于对程序、算法性能的检查或优化

本文只关注真实时间的处理与转换

一、Epoch

无论地理位置如何，Linux系统内部对时间的表示方式均是以自Epoch以来的秒数来度量的，Epoch即通用协调时间（UTC，以前也称为格林威治标准时间，或GMT）的1970年1月1日零点零分零秒。这大致也是UNIX系统问世的时间。该时间可存储于time_t类型的变量中。

在32位Linux系统中，time_t是一个有符号整数，可以表示的日期范围从1901年12月13日20时45分52秒至2038年1月19日03:14:07。因此，32位系统的机器都将面临2038年的问题，当然这我们不必担心，到了2038年，我相信这些系统早已升级为64位或者更多位的系统了。不过有些寿命更长的嵌入式设备，可能还会受到此问题的影响。

二、时间转换函数

如下图所示，存储于time_t变量的数值可以和其他时间格式相互转换，其中还包含打印输出。这些函数屏蔽了因时区、夏令时（DST）制和本地化等问题给转换所带来的种种复杂

三、函数详解

1. 系统调用gettimeofday()，用于tv指向的缓冲中返回日历时间，其声明如下

#include <sys/time.h>

// Return 0 on success, or -1 on error

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

tv所指向的结构体如下

struct timeval {

time_t          tv_sec;          /* Seconds since 00:00:00,
1 Jan 1970 UTC*/

susecond_t   tv_usec;        /* Additional microseconds
(long int)*/

};

gettimeofday()函数提供到微秒级的精度并存储于tv_usec中，这样的精度对大多数程序来说已经能够满足。在x86-64平台上，gettimeofday()不是系统调用，而是在用户态实现的，没有上下文切换和陷入内核的开销，因此其速度是比较快的[1]。参数tz是一个历史产物，在早期的UNIX系统实现中使用其来获取系统的时区信息，目前已被废弃，因此在调用时始终置为NULL。

2. 系统调用time()，其返回自Epoch以来的秒数，声明如下

#include <time.h>

// Returns number of seconds since the Epoch, or (time_t)-1 on error

time_t time (time_t* timep);

如果timep参数不为NULL，那么还会将自Epoch以来的的秒数置于timep所指向的位置中。但是在日常使用中我们都采用简单的调用方式t = time (NULL)。从函数说明上可以得知gettimeofday()的精确度要比time()要高。

3.  time_t可用于存储Epoch到现在的秒数，这个数值非常不便于我们直接解释，因为我们更容易接受的是MM-DD-YY HH:MIN:SS的形式。Linux中提供了简单的ctime()函数来处理time_t的转换

#include <time.h>

// Returns pointer to statically allocated string terminated by newline and \0 on success,
or NULL on error

char* ctime (const time_t* timep);

把一个指向time_t的指针作为timep参数传入函数，将返回一个长达26个字节的字符串，内含标准格式的日期和时间，如下：

Wed May  14  15:22:34  2014

该字符串包含换行符合终止空字节各一。ctime()函数在进行行转换时会自动对本地时区和DST设置加以考虑。返回的字符串经由静态分配的，因此无需调用free函数，正因如此，该函数是不可重入的（非线程安全的），线程安全的版为ctime_r()。

4. time_t与struct tm之间的转换

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*/

};

结构体tm将日期和时间分解成多个独立的字段，这样能方便程序获取不同的字段值来处理。字段tm_sec的上限为60而不是59，这样的设计主要是考虑闰秒，偶尔用其将人类日历调整至精确的天文年（所谓的回归年）。如果程序中定义了_BSD_SOURCE测试宏，那么有glibc定义的tm结构还会包括两个字段，一个为long
int tm_gmtoff，用于表示时间超出UTC以东的秒数，一个为const char* tm_zone，用于表示时区的缩写（例如：CEST为欧洲中部夏令时间）。

gmtime()和localtime()两个函数可将time_t转换成struct tm。gmtime()直接将time_t分解成UTC时间的tm，localtime()需要考虑时区和夏令时的设置，具体声明如下：

#include <time.h>

// Both return a pointer to a statically allocated broker-down time structure on success,
or NULL on error

struct tm* gmtime (const time_t
*timep);

struct tm* localtime (const time_t
*timep);

以上两个函数都是非线程安全的，线程安全版本为gmtime_r()和localtime_r()

mktime()函数可以将struct tm转换成time_t，其声明如下：

#include <time.h>

// Returns seconds since the Epoch corresponding to timeptr on success, or (time_t)-1 on
error

time_t mktime (struct tm *timeptr);

该函数可能会修改timeptr对应的值，至少会确保对tm_wday和tm_yday字段的设置，确保这些字段与其他字段能够相互对应起来。同时，mktime()在进行转换时会对时区进行设置。此外，DST设置的使用与否取决于输入字段tm_isdst的值。

• 若tm_isdst为0，则将这一时间视为标准时间（即，忽略夏令时）
• 若tm_isdst大于0，则将这一时间视为夏令时
• 若tm_isdst小于0，则试图判定DST在每年的这一时间是否生效。这往往是众望所归的设置

5. 将struct tm转化易于理解的字符串

#include <time.h>

// Returns pointer to statically allocated string terminated by newline and \0 on success,
or NULL on error

char* asctime (const struct tm
*timeptr);

与ctime()相比，本地时区的设置对asctime()没有影响。其返回的指针所指向的是由静态分配的字符串，因此其不是线程安全的，线程安全的版本为asctime_r()，输出结果大概如下：

Wed May  14  16:43:21 CET 2014

asctime()函数返回的是一个固定形式的字符串，有时为了更易于理解，程序不想仅局限于这样的字符串，于是Linux中提供了strftime()函数，声明如下：

#include <time.h>

// Returns number of bytes placed in outstr (excluding terminating null bytes) on success,
or 0 on error

size_t strftime (char *outstr, size_t maxsize, const
char *format, const struct tm *timeptr);

outstr中返回的字符串按照format参数定义的格式做了格式化，maxsize则是ourstr的最大长度，如果成功则将格式化后的内容写入outstr所指向的缓冲区中，然后返回字符串的真实长度，含终止空字节，如果真实长度超过了maxsize参数的大小，那么返回0以表示出错，且无法确定outstr的内容。参数format是一个字符串，类似于printf()参数。具体值在此不做详解，可以google。

strptime()函数与strftime()函数正好相反，其可以将包含日期和时间的字符串转换成struct tm，声明如下：

#define _XOPEN_SOURCE

#include <time.h>

// Returns pointer to next unprocessed character in str on success, or NULL on error

char* strptime (const char *str, const
char *format, struct tm *timeptr);

函数strptime()按照format参数内容对由日期和时间组成的字符串str加以解析，并将转换后的数值存储于timeptr所指的缓存中，如果成功，返回指向str中下一个还未解析过的字符，如果所给的str无法和format相对应，则会解析失败，返回NULL，以示错误。最后还需注意，strptime()函数不会设置tm中的tm_isdst字段。

四、时区

不同的国家使用不同的时区和夏时制，对于要输入输出时间的程序来说，必须对时区进行考虑，尤其是全球的分布式系统。出于时区信息太多，Linux系统没有直接将其编码于程序或函数库中，而是以标准格式存储于文件。这些文件位于/usr/share/zoneinfo目录里。系统的本地时区则由文件/etc/localtime定义，其通常是一个链接到/usr/share/zoneinfo下的文件。

时区文件格式记叙于tzfile(5)手册页，其创建可通过zic(8)（时区信息编译器，zone information compiler）工具来完成。zdump(8)命令可根据指定时区文件中的时区来显示当前时间

为运行的程序指定一个时区，需要将TZ环境变量设置为一个冒号(:)和时区名称组成的字符串，其中时区名称定义于/usr/share/zoneinfo中。时区的设置会影响到ctime()、localtime()、mktime()、strftime()等函数，为了获取时区设置，这些函数都会调用tzset(3)对如下全局变量进行设置：

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、总结

多种系统调用允许我们获取和设置系统的时间，以及一系列的库函数能够使我们完成各种时间表示法之间的转换。Linux是非实时的多任务操作系统，如果我们在程序中想完全精确的计时和定时时无法做到的，因为当前任务可能会被CPU随时切换出去，但是在日常的时间处理中，以上这些函数已经足够满足需求了。本文没有涉及到所讲述的函数用例，如有在程序中使用到这些函数，可以百度或者google，再者你可以查看https://github.com/ApusApp/Swift/tree/master/swift/base中关于时间处理的实现。

参考

[1] http://lwn.net/Articles/446528

每天进步一点点——Linux系统中的时间处理