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CLOCK_REALTIME 和 CLOCK_MONOTONIC 之间的区别？

2024-10-09 09:11:00
admin
原创
86
摘要：问题描述：您能解释一下Linux返回的时钟CLOCK_REALTIME之间的区别吗？CLOCK_MONOTONIC`clock_gettime()`如果我需要计算外部源产生的时间戳和当前时间之间的经过时间，哪个是更好的选择？最后，如果我有一个 NTP 守护进程定期调整系统时间，这些调整如何与CLOCK_REA...

问题描述：

您能解释一下Linux返回的时钟CLOCK_REALTIME之间的区别吗？CLOCK_MONOTONIC`clock_gettime()`

如果我需要计算外部源产生的时间戳和当前时间之间的经过时间，哪个是更好的选择？

最后，如果我有一个 NTP 守护进程定期调整系统时间，这些调整如何与CLOCK_REALTIME和交互CLOCK_MONOTONIC？

解决方案 1：

CLOCK_REALTIME表示机器对当前挂钟、时间的最佳猜测。正如Ignacio和MarkR所说，这意味着CLOCK_REALTIME可以随着系统时间时钟的变化（包括 NTP 的变化）向前和向后跳转。

CLOCK_MONOTONIC表示自过去某个任意固定点以来经过的绝对挂钟时间。它不受系统时钟变化的影响。

如果您想计算一台机器上观察到的两个事件之间的经过时间而无需中间重新启动，CLOCK_MONOTONIC这是最好的选择。

请注意，在 Linux 上，CLOCK_MONOTONIC不会测量挂起所花费的时间，尽管根据 POSIX 定义应该如此。您可以使用 Linux 特定的CLOCK_BOOTTIME单调时钟，该时钟在挂起期间保持运行。

解决方案 2：

Robert Love 的书《 LINUX 系统编程第 2 版》在第 11 章第 363 页的开头专门回答了您的问题：

单调时间源的重要方面不是当前值，而是保证时间源严格线性增加，因此可用于计算两次采样之间的时间差

话虽如此，我相信他假设这些进程在同一个操作系统实例上运行，因此您可能需要进行定期校准以便能够估计漂移。

解决方案 3：

CLOCK_REALTIME受 NTP 影响，可以向前和向后移动。CLOCK_MONOTONIC不受影响，并且以每刻一刻的速度前进。

解决方案 4：

POSIX 7 引言

POSIX 7 在http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/functions/clock_getres.html中指定了这两项：

CLOCK_REALTIME：

此时钟表示系统实时测量时钟。对于此时钟，clock_gettime() 返回的值和clock_settime() 指定的值表示自纪元以来的时间量（以秒和纳秒为单位）。

CLOCK_MONOTONIC（可选功能）：

对于此时钟，clock_gettime() 返回的值表示自过去某个未指定时间点（例如，系统启动时间或纪元）以来的时间量（以秒和纳秒为单位）。此时间点在系统启动时间之后不会改变。CLOCK_MONOTONIC 时钟的值无法通过 clock_settime() 设置。

clock_settime()给出了一个重要提示：POSIX 系统能够CLOCK_REALITME随它任意改变，所以不要依赖它连续流动或向前流动。NTP 可以使用 来实现clock_settime()，并且只能影响CLOCK_REALTIME。

Linux 内核实现似乎将启动时间作为CLOCK_MONOTONIC 的CLOCK_MONOTONIC起点

解决方案 5：

除了Ignacio 的回答之外，CLOCK_REALTIME可以跳跃式地向前移动，偶尔也可以向后移动。CLOCK_MONOTONIC两者都不做；它只是一直向前移动（尽管它可能会在重启时重置）。

一个强大的应用程序需要能够容忍CLOCK_REALTIME偶尔的向前跳跃（也许偶尔会稍微向后跳跃，尽管这更像是一种边缘情况）。

想象一下当您暂停笔记本电脑时会发生什么 -CLOCK_REALTIME恢复后向前跳转，CLOCK_MONOTONIC但不会。在虚拟机上尝试一下。

解决方案 6：

抱歉，没有信誉可将此添加为评论。因此，它作为补充答案。

根据您调用的频率clock_gettime()，您应该记住，VDSO 中的 Linux 仅提供了部分“时钟”（即，不需要具有所有开销的系统调用 - 当 Linux 添加防御措施以防止类似 Spectre 的攻击时，情况只会变得更糟）。

虽然clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC,...)、clock_gettime(CLOCK_REALTIME,...)和gettimeofday()总是会非常快（由 VDSO 加速），但对于 CLOCK_MONOTONIC_RAW 或任何其他 POSIX 时钟来说，情况并非如此。

这会随着内核版本和架构而改变。

虽然大多数程序不需要注意这一点，但 VDSO 加速的时钟可能会出现延迟峰值：如果在内核使用时钟计数器更新共享内存区域时遇到它们，则必须等待内核完成。

这是“证据”（GitHub，为了让机器人远离 kernel.org）：
https: //github.com/torvalds/linux/commit/2aae950b21e4bc789d1fc6668faf67e8748300b7

解决方案 7：

CLOCK_REALTIME 和 MONOTONIC 之间有一个很大的区别。CLOCK_REALTIME 可以根据 NTP 向前或向后跳转。默认情况下，NTP 允许时钟速率加快或减慢最多 0.05%，但 NTP 不能使单调时钟向前或向后跳转。

解决方案 8：

我想澄清一下这种情况下“系统暂停”是什么意思。

我正在阅读timefd_create手册页，
https://man7.org/linux/man-pages/man2/timerfd_create.2.html

   CLOCK_BOOTTIME (Since Linux 3.15)
          Like CLOCK_MONOTONIC, this is a monotonically increasing
          clock.  However, whereas the CLOCK_MONOTONIC clock does
          not measure the time while a system is suspended, the
          CLOCK_BOOTTIME clock does include the time during which
          the system is suspended.  This is useful for applications
          that need to be suspend-aware.  CLOCK_REALTIME is not
          suitable for such applications, since that clock is
          affected by discontinuous changes to the system clock.

根据以上描述，我们可以指出CLOCK_REALTIME当CLOCK_BOOTTIME系统挂起时， 仍然计时， 而CLOCK_MONOTONIC则不计时。

我对“系统已暂停”的确切含义感到困惑。起初我以为这意味着当我们Ctrl + Z从终端发送消息时，进程被暂停。但事实并非如此。

@MarkR 的回答启发了我：

想象一下当您暂停笔记本电脑时会发生什么- ....在虚拟机上尝试一下。

因此，字面意思是“系统暂停”意味着您将计算机置于睡眠模式。

在此处输入图片描述

也就是说，CLOCK_REALTIME计算计算机处于睡眠状态的时间。

比较这两段代码的输出

timefd_创建_实时时钟.c

复制自man timefd_create

#include <sys/timerfd.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <inttypes.h>      /* Definition of PRIu64 */
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>        /* Definition of uint64_t */

#define handle_error(msg) \n        do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

static void
print_elapsed_time(void)
{
    static struct timespec start;
    struct timespec curr;
    static int first_call = 1;
    int secs, nsecs;

    if (first_call) {
        first_call = 0;
        if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start) == -1)
            handle_error("clock_gettime");
    }

    if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &curr) == -1)
        handle_error("clock_gettime");

    secs = curr.tv_sec - start.tv_sec;
    nsecs = curr.tv_nsec - start.tv_nsec;
    if (nsecs < 0) {
        secs--;
        nsecs += 1000000000;
    }
    printf("%d.%03d: ", secs, (nsecs + 500000) / 1000000);
}

int
main(int argc, char *argv[])
{
    struct itimerspec new_value;
    int max_exp, fd;
    struct timespec now;
    uint64_t exp, tot_exp;
    ssize_t s;

    if ((argc != 2) && (argc != 4)) {
        fprintf(stderr, "%s init-secs [interval-secs max-exp]
",
                argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &now) == -1)
        handle_error("clock_gettime");

    /* Create a CLOCK_REALTIME absolute timer with initial
        expiration and interval as specified in command line. */

    new_value.it_value.tv_sec = now.tv_sec + atoi(argv[1]);
    new_value.it_value.tv_nsec = now.tv_nsec;

    if (argc == 2) {
        new_value.it_interval.tv_sec = 0;
        max_exp = 1;
    } else {
        new_value.it_interval.tv_sec = atoi(argv[2]);
        max_exp = atoi(argv[3]);
    }
    new_value.it_interval.tv_nsec = 0;

    fd = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    if (fd == -1)
        handle_error("timerfd_create");

    if (timerfd_settime(fd, TFD_TIMER_ABSTIME, &new_value, NULL) == -1)
        handle_error("timerfd_settime");

    print_elapsed_time();
    printf("timer started
");

    for (tot_exp = 0; tot_exp < max_exp;) {
        s = read(fd, &exp, sizeof(uint64_t));
        if (s != sizeof(uint64_t))
            handle_error("read");

        tot_exp += exp;
        print_elapsed_time();
        printf("read: %" PRIu64 "; total=%" PRIu64 "
", exp, tot_exp);
    }

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

timefd_create_monotonic_clock.c

稍微修改一下，CLOCK_REALTIME改为CLOCK_MONOTONIC

#include <sys/timerfd.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <inttypes.h>      /* Definition of PRIu64 */
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>        /* Definition of uint64_t */

#define handle_error(msg) \n        do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

static void
print_elapsed_time(void)
{
    static struct timespec start;
    struct timespec curr;
    static int first_call = 1;
    int secs, nsecs;

    if (first_call) {
        first_call = 0;
        if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start) == -1)
            handle_error("clock_gettime");
    }

    if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &curr) == -1)
        handle_error("clock_gettime");

    secs = curr.tv_sec - start.tv_sec;
    nsecs = curr.tv_nsec - start.tv_nsec;
    if (nsecs < 0) {
        secs--;
        nsecs += 1000000000;
    }
    printf("%d.%03d: ", secs, (nsecs + 500000) / 1000000);
}

int
main(int argc, char *argv[])
{
    struct itimerspec new_value;
    int max_exp, fd;
    struct timespec now;
    uint64_t exp, tot_exp;
    ssize_t s;

    if ((argc != 2) && (argc != 4)) {
        fprintf(stderr, "%s init-secs [interval-secs max-exp]
",
                argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // T_NOTE: comment 
    // if (clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &now) == -1)
        // handle_error("clock_gettime");

    /* Create a CLOCK_REALTIME absolute timer with initial
        expiration and interval as specified in command line. */

    // new_value.it_value.tv_sec = now.tv_sec + atoi(argv[1]);
    // new_value.it_value.tv_nsec = now.tv_nsec;

    new_value.it_value.tv_sec = atoi(argv[1]);
    new_value.it_value.tv_nsec = 0;
    if (argc == 2) {
        new_value.it_interval.tv_sec = 0;
        max_exp = 1;
    } else {
        new_value.it_interval.tv_sec = atoi(argv[2]);
        max_exp = atoi(argv[3]);
    }
    new_value.it_interval.tv_nsec = 0;

    // fd = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    fd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);
    if (fd == -1)
        handle_error("timerfd_create");

    // if (timerfd_settime(fd, TFD_TIMER_ABSTIME, &new_value, NULL) == -1)
    if (timerfd_settime(fd, 0, &new_value, NULL) == -1)
        handle_error("timerfd_settime");

    print_elapsed_time();
    printf("timer started
");

    for (tot_exp = 0; tot_exp < max_exp;) {
        s = read(fd, &exp, sizeof(uint64_t));
        if (s != sizeof(uint64_t))
            handle_error("read");

        tot_exp += exp;
        print_elapsed_time();
        printf("read: %" PRIu64 "; total=%" PRIu64 "
", exp, tot_exp);
    }

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

  1. 编译两者并在同一终端的两个选项卡中运行

./timefd_create_monotonic_clock 3 1 100

./timefd_create_realtime_clock 3 1 100

  1. 让我的 Ubuntu 桌面进入睡眠状态

  2. 等待几分钟

  3. 按一次电源按钮唤醒我的 Ubuntu

  4. 检查终端输出

输出：

实时时钟立即停止。因为它计算了计算机挂起/睡眠时经过的时间。

tian@tian-B250M-Wind:~/playground/libuv-vs-libevent$ ./timefd_create_realtime_clock 3 1 100
0.000: timer started
3.000: read: 1; total=1
4.000: read: 1; total=2
5.000: read: 1; total=3
6.000: read: 1; total=4
7.000: read: 1; total=5
8.000: read: 1; total=6
9.000: read: 1; total=7
10.000: read: 1; total=8
11.000: read: 1; total=9
12.000: read: 1; total=10
13.000: read: 1; total=11
14.000: read: 1; total=12
15.000: read: 1; total=13
16.000: read: 1; total=14
17.000: read: 1; total=15
18.000: read: 1; total=16
19.000: read: 1; total=17
20.000: read: 1; total=18
21.000: read: 1; total=19
22.000: read: 1; total=20
23.000: read: 1; total=21
24.000: read: 1; total=22
25.000: read: 1; total=23
26.000: read: 1; total=24
27.000: read: 1; total=25
28.000: read: 1; total=26
29.000: read: 1; total=27
30.000: read: 1; total=28
31.000: read: 1; total=29
33.330: read: 489; total=518 # wake up here
tian@tian-B250M-Wind:~/playground/libuv-vs-libevent$ 

tian@tian-B250M-Wind:~/Desktop/playground/libuv-vs-libevent$ ./timefd_create_monotonic_clock 3 1 100
0.000: timer started
3.000: read: 1; total=1
3.1000: read: 1; total=2
4.1000: read: 1; total=3
6.000: read: 1; total=4
7.000: read: 1; total=5
7.1000: read: 1; total=6
9.000: read: 1; total=7
10.000: read: 1; total=8
11.000: read: 1; total=9
12.000: read: 1; total=10
13.000: read: 1; total=11
14.000: read: 1; total=12
15.000: read: 1; total=13
16.000: read: 1; total=14
16.1000: read: 1; total=15
18.000: read: 1; total=16
19.000: read: 1; total=17
19.1000: read: 1; total=18
21.000: read: 1; total=19
22.001: read: 1; total=20
23.000: read: 1; total=21
25.482: read: 2; total=23
26.000: read: 1; total=24
26.1000: read: 1; total=25
28.000: read: 1; total=26
28.1000: read: 1; total=27
29.1000: read: 1; total=28
30.1000: read: 1; total=29
31.1000: read: 1; total=30
32.1000: read: 1; total=31
33.1000: read: 1; total=32
35.000: read: 1; total=33
36.000: read: 1; total=34
36.1000: read: 1; total=35
38.000: read: 1; total=36
39.000: read: 1; total=37
40.000: read: 1; total=38
40.1000: read: 1; total=39
42.000: read: 1; total=40
43.001: read: 1; total=41
43.1000: read: 1; total=42
45.000: read: 1; total=43
46.000: read: 1; total=44
47.000: read: 1; total=45
47.1000: read: 1; total=46
48.1000: read: 1; total=47
50.001: read: 1; total=48
^C
tian@tian-B250M-Wind:~/Desktop/playground/libuv-vs-libevent$
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