2021-2022-1 20191315《信息安全系统设计与实现（上）》学习笔记8

第五章定时器及时钟服务

本章讨论了定时器和定时器服务;介绍了码硬件定时器的原理和基于Intel x86的PC中的硬件定时器;讲解了CPU操作和中断处理;指述了Linux中与定时器相关的系统调用、库函数和定时器服务命令;探讨了进程间隔定时器器、定时器生成的信号，并通过示例演示了进程间隔定时器。编程项目的目的是要在一个多任务处理系统中实现定时器、定时器中断和间隔定时器。多任务处理系统作为一个Linux进程星运行，该系统是 Linux 进程内并发任务的-个虚拟CPU。Linux 进程的实时模式间隔定时器器被设计为定期生成 SIGALRM 信号，充当虚拟 CPU 的定时器中断，虚拟CPU使用SIGALRM信号捕捉器作为定时器的中断处理程序该项目可让读进程通过定时器队列实现任务间限高定时器，还可让读进程使用 Linux 信号掩码来实现临界区，以防止各项任务和中断处理程序之间出现竞态条件。

硬件定时器

定时器是由时钟源和可编程计数器组成的硬件设备。时钟源通常是一个晶体振荡器，会产生周期性电信号，以精确的频率驱动计数器。使用一个倒计时值对计数器进行编程，每个时钟信号减1。当计数减为0时，计数器向CPU生成一个定时器中断，将计数值重新加载到计数器中，并重复倒计时。计数器周期称为定时器刻度，是系统的基本计时单元。

个人计算机定时器

• 实时时钟(RTC):RTC由一个小型备用电池供电。即使在个人计算机关机时，它也能连续运行。它用于实时提供时间和日期信息。当Linux启动时，它使用RTC更新系统时间变量，以与当前时间保持一致。在所有类Unix系统中，时间变量是一个长整数，包含 从1970年1月1日起经过的秒数。
• 可编程间隔定时器(PIT):PIT是与CPU分离的一个硬件定时器。可对它进行编程，以提供以毫秒为单位的定时器刻度。在所有I/O设备中，PIT可以最高优先 级IRQ0中断。PIT定时器中断由Linux内核的定时器中断处理程序来处理，为系统操作提 供基本的定时单元，例如进程调度、进程间隔定时器和其他许多定时事件。
• 多核CPU中的本地定时器:在多核CPU中，每个核都是一个独立的处理器，它有自己的本地定时器，由CPU时钟驱动。
• 高分辨率定时器:大多数电脑都有一个时间戳定时器(TSC),由系统时钟驱动。它的内容可通过64位TSC寄存器读取。由于不同系统主板的时钟频率可能不同，TSC不适合作为实时设备，但它提供纳秒级的定时器分辨率。一些高端个人计算机可能还配备有专用高速定时器，以提供纳秒级定时器分辨率。

CPU操作

每个CPU都有一个程序计数器(PC),也称为指令指针(IP),以及一个标志或状态寄存器(SR)、一个堆栈指针(SP)和几个通用寄存器，当PC指向内存中要执行的下一条指令时，SR包含CPU的当前状态，如操作模式、中断掩码和条件码，SP指向当前堆栈栈顶。堆栈是CPU用于特殊操作（push\pop调用和返回）的一个内存区域。CPU操作可通过无限循环进行建模。

中断处理

外部设备(如定时器)的中断被馈送到中断控制器的预定义输入行,按优先级对中断输入排序，并将具有最高优先级的中断作为中断请求(IRQ)路由到CPU。在每条指令执行结束时，如果CPU未处于接受中断的状态，即在CPU的状态寄存器中屏蔽了中断.它将忽略中断请求，使其处于挂起状态，并继续执行下一条指令。如果CPU处于接受中断状态，即中断未被屏蔽，那么CPU将会转移它正常的执行顺序来进行中断处理。对于每个中断，可以编程中断控制器以生成一个唯一编号，叫作中断向量，标识中断源。在获取中断向量号后，CPU用它作为内存中中断向量表中的条目索引，条目包含一个指向中断处理程序入口地址的指针来实际处理中断。当中断处理结束时，CPU恢复指令的正常执行。

时钟服务函数

• gettimeofday-settimeofday
  gettimeofday()函数用于返回当前时间(当前秒的秒和微秒)。settimeofday()函数用于设置当前时间。在Unix/Linux中，时间表示自1970年1月1日00:00:00起经过的秒数。它可以通过库函数ctime(&time)转换为日历形式。
• time系统调用
  以秒为单位返回当前时间。如果参数t不是NULL,还会将时间存储在t指向的内存中。 time系统调用具有一定的局限性，只提供以秒为单位的分辨率，而不是以微秒为单位。
• times系统调用
  可用于获取某进程的具体执行时间。它将进程时间存储在struct tms buf中
• time和data命令
  date：打印或设置系统日期和时间。
  time：报告进程在用户模式和系统模式下的执行时间和总时间。
  hwclock：查询并设置硬件时钟(RTC),也可以通过BIOS来完成。

间隔定时器

Linux为每个进程提供了三种不同类型的间隔计时器，可用作进程计时的虚拟时钟。间隔定时器由settimer()系统调用创建。getitimer()系统调用返回间隔定时器的状态。
int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
有三类间隔定时器，分别是：
（1）ITIMER_REAL: 实时减少，在到期时生成一个SIGALRM（14）信号。
（2）ITIMER_VIRTUAL: 仅当进程在用户模式下执行时减少，在到期时生成一个SIGVTALRM（26）信号。
（3）ITIMER_PROF: 当进程正在用户模式和系统模式下执行时减少。在到期时生成一个SIGPROF（27）信号。

REAL模式间隔定时器

VIRTUAL和PROF模式下的间隔计时器仅在执行进程时才有效。这类定时器的信息可保存在各进程的PROC结构体中。
REAL模式间隔定时器各不相同、因为无论进程是否正在执行，它们都必须由定时器中断处理程序来更新。

实践

gettimeofday.c源代码

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//gettimeofday.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>

struct timeval t;

int main ()
{
  gettimeofday(&t, NULL);
  printf("sec=%ld usec=%d\n", t.tv_sec, t.tv_usec);
  printf((char *)ctime(&t.tv_sec));
}

结果截图

第二个printf运行结果出错Segmentation fault (core dumped)，多为内存不当操作造成、空指针、野指针的读写操作，数组越界访问，破坏常量等。

修改

加入头文件time.h

settimeofday.c源代码

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

struct timeval t;
int main()
{
	int r;
	t.tv_sec = 123456789;
	t.tv_usec = 0;
	r = settimeofday(&t,NULL);
	if (!r){
		printf("settimeofday() failed\n");
		exit(1);
	}
	gettimeofday(&t,NULL);
	printf("sec=%ld usec=%ld\n",t.tv_sec,t.tv_usec);
	printf("%s",ctime(&t.tv_sec));
}

结果截图

time.c源代码

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

time_t start,end;

int main()
{
	int i;
	start = time(NULL);
	printf("start=%ld\n",start);
	for(i=0;i<123456789;i++)
	end = time(NULL);
	printf("end =%ld time=%ld\n",end,end-start);
}

结果截图

setitimer.c源代码

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

int count = 0;
struct itimerval t;

void timer_handler(int sig)
{
    printf("timer_handler: signal=%d count=%d\n", sig, ++count);
    if (count>=8)
    {
        printf("cancel timer\n");
        t.it_value.tv_sec = 0;
        t.it_value.tv_usec = 0;
        setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &t, NULL);
    }
}

int main()
{
    struct itimerval timer;
     signal(SIGVTALRM, timer_handler);
    timer.it_value.tv_sec = 0;
    timer.it_value.tv_usec = 100000;
    timer.it_interval.tv_sec = 1;
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_VIRTUAL,&timer, NULL);
    printf("looping:enter Control-C to Terminate\n");
    while(1);
}

结果截图