最近同事在解决一个时区问题时花费了较多时间,但仍是一头雾水,通过查询Linux相关的文档,我给出了他一些修改建议,经过验证后问题得以修复,事后我总结来看,主要是该同事对于Linux下的时间机制的理解不够深入,因此这里我将相关的知识给记录下来,以解释相关的疑惑。

Linux下目前有三种主要的时钟,其名称及作用如下:

硬件时钟

此时钟一般由主板上的单独电子器件提供,它与CPU核心是独立的运行的,往往在电脑关机时仍能继续运行(想想我们的PC在装机重启后,时间仍然还保持着正确性就是因为这么个东西存在)。

此时钟还有一些其他名称,如RTC(实时时钟)、BIOS时钟或CMOS时钟,此时钟可以通过hwclock这样的小工具来设置。

需要注意的是,硬件时钟中是不感知时区的,其硬件实现记录了个初始值(如我司设备经常采用的1970.1.1等),然后用户可以通过hwclock写入一个时间来更新它,我们可以认为它是一个有初始值的计数器,用户可以更新当前的值,之后它将按照其计时精度来更新其值,供系统通过硬件接口读取。

系统时钟

此时钟是由Linux内核所维护的一个软件时钟,由时钟中断触发更新,其时间是相对于1970.1.1-00:00:00 UTC这个时间的秒数(UTC与GMT即格林威治时间意义相同,为世界标准时间),为方便这里的讲述,我们可以假定我们在格林威治这个地方讨论时间,这样我们可以先把时区放到一边不管了。

在Linux启动后,系统启动脚本(不管是sysvinit还是systemd都将有这样的处理)将通过hwclock读取硬件时钟,并将时间设置到内核中,此后用户获取时间均通过内核获取。

单调时钟

在Linux系统上,用户可以通过date命令更新系统时间,从而导致系统时钟出现跳变,这对于一些涉及到对调度单元(如协程)运行时间来记时以便切出去让其他进程执行的程序来说则会产生计时不准的问题,为此,Linux上支持了一个所谓的单调时钟的接口,此接口除支持单调时钟外,还支持对于系统时钟的获取,此接口属于较新的POSIX标准,如果Linux版本较老的话,可能将无法支持

此接口的定义如下:

int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp); // 采用CLOCK_MONOTONIC这个clk id可以获取到单调时钟

上面讨论时,我们刻意互略了关于时区的处理,为简单起见,我们这里可以认为Linux内核是不感知时区的(实际上由于种种原因比如VFAT文件系统的时间戳处理就需要内核需要感知到时区)。

在Linux下,由于大量程序均需要依赖于glibc,因此glibc会读取TZ这个环境变量来设置时区,下面是一些C库函数的简单介绍:

struct tm *gmtime(const time_t *timep); // 获取UTC时间,也就是说怎么改TZ变量或者通过tzset更改时区都不会影响此值
struct tm *localtime(const time_t *timep); // 获取本地时间,更改TZ变量或者通过tzset更改时区都会影响此值

当然当于时区还需要补充一点的是,环境变量这个东西只影响所属的进程,在子进程中修改并不会影响父进程,libc.so甚至提供了一个全局变量用来保存当前进程的时区设置(注意,虽然libc.so为动态库,但其在mmap映射是private的,所以会导致其中定义的全局变量每个进程都复制了一份),如果修改的话,需要通过signal类似的IPC机制通知相关进程予以刷新,这也是我同事改时区反复出问题的一个原因。

从一个编程者的角度来看,如果是涉及到对调度单元(如协程)运行时间记时的话,要尽可能采用单调时钟,下面是syslog-ng项目所采用的异步io库ivykis关于时间处理的代码片段,可以看出,它将尽可能去使用单调时钟或者clock_gettime接口,在最后才尝试使用gettimeofday来获取时间。

#ifdef HAVE_CLOCK_GETTIME
static int clock_source;
#endif

void iv_time_get(struct timespec *time)
{
struct timeval tv;

#if defined(HAVE_CLOCK_GETTIME) && defined(HAVE_CLOCK_MONOTONIC_FAST)
if (clock_source < 1) {
if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_FAST, time) >= 0)
return;
clock_source = 1;
}
#endif

#if defined(HAVE_CLOCK_GETTIME) && defined(HAVE_CLOCK_MONOTONIC)
if (clock_source < 2) {
if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, time) >= 0)
return;
clock_source = 2;
}
#endif

#if defined(HAVE_CLOCK_GETTIME) && defined(HAVE_CLOCK_REALTIME)
if (clock_source < 3) {
if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, time) >= 0)
return;
clock_source = 3;
}
#endif

gettimeofday(&tv, NULL);
time->tv_sec = tv.tv_sec;
time->tv_nsec = 1000L * tv.tv_usec;
}

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