2021-2022-1-diocs-定时器及时钟服务学习笔记

20191205 2021-2022-1-diocs-定时器及时钟服务（第八周学习笔记）

一、任务详情

自学教材第5章，提交学习笔记（10分）

知识点归纳以及自己最有收获的内容 （3分）

问题与解决思路（2分）

实践内容与截图，代码链接（3分）

...（知识的结构化，知识的完整性等，提交markdown文档，使用openeuler系统等）（2分）

 

二、教材内容归纳整理

本章讨论了定时器和定时器服务;介绍了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;描述了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、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—个Linux进程运行，该系统是 Linux进程内并发任务的一一个虚拟 CPU。Linux 进程的实时模式间隔定时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隔定时器，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。

 

思维导图

 

一、知识点总结

1.个人计算机定时器

（1）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。

（2）可编程间隔定时器（PIT）（Wang 2015）∶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。

（3）多核CPU 中的本地定时器（Intel 1997;Wang 2015））∶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。

（4）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，但它可提供纳秒级的定时器分辨率。—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。

2.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。

while (power-on){

(1).  fetch instruction:load*PC as instruction,increment PC to point to the

next instruction in memory;

(2).  decode instruction: interpret the instruction's operation code and

generate operandis;

(3).  execute instruction: perform operation on operands,write results to

memory if needed; execution may use the stack,implicitly change PC, etC.

(4) .  check for pending interrupts; may handle interrupts;

}

3.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（Intel 1990;Wang 2015），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。

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（AMD64 20I1）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。

4.间隔定时器

间隔定时器由 setitimer（）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 itimerva1 *old_value);

各间隔定时器在参数 which指定的不同时间域中工作。当间隔定时器定时到期时，会向进程发送一个信号，并将定时器重置为指定的间隔值（如果是非零数）。一个信号就是发送给某个进程进行处理的一个数字（1到31）。有3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（内核）模式下执行时减少。这类间隔

5.间隔定时器

定时器计时，并向进程生成一个信号。操作系统内核不必使用额外的数据结构来处理进程的VIRTUAL 和 PROF定时器。但是，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。因此，操作系统内核必须使用额外的数据结构来处理进程的 REAL 模式定时器，并在定时器到期或被取消时采取措施。在大多数操作系统内核中，使用的数据结构都是定时器队列。我们将在本章末尾解释编程项目中的定时器队列。

 

二、最有收获的内容

Gettimeofday-settimeofday系统调用

#include <sys/time.h>


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


int settimeofday(const struct timeval *tv,const struct timezone *tz);

这些是对Linux 内核的系统调用。第一个参数 tv指向一个timeval结构体。

struct timeval {
time_t   tv_BeC;    /* secondg */tV_ugec;
suseConds_t   tv_usec    /* microseconds * /);

第二个参数 timezone已过期，应设置为NULL。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

time_t time(time_t *t)

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

clock_t times(struct tms *buf);

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，即∶

struct tms{

clock t tms utime;  // user mode time

      clock_t tms_stime; // system mode time

clock__t tms_cutime； // user time of children

clock_t tms_cstime;   // system time of children

);

以时钟计时单元报告所有时间。这可以为分析某个正在执行的进程提供信息，包括其子进程的时间。

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。

 

三、问题与解决思路（解决思路是基于OpenEuler系统下解决的）

问题：Linux里如何用C编程实现gettimeofday系统调用

解决思路：

编写C代码实现gettimeofday（）系统调用来获取系统时间

#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));

}

运行截图：

问题：Linux里如何用C编程实现settimeofday系统调用

解决思路：

编写C代码实现time系统调用

#include<stdio.h>

#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);

}

运行截图：

 

四、实践内容（截图、代码链接）

Linux多任务编程——多线程实现多任务

（1）线程号的比较

所需头文件：

#include

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

功能：

判断线程号 t1 和 t2 是否相等。为了方便移植，尽量使用函数来比较线程 ID。

参数：

t1，t2：待判断的线程号。

返回值：

相等：  非 0

不相等：0

代码链接：

https://gitee.com/two_thousand_and_thirteen/codes/mgadw1n0ft5k4lqr7oscj41

运行截图：

（2）线程的创建

所需头文件：

#include

int pthread_create( pthread_t *thread,

const pthread_attr_t *attr,

void *(*start_routine)(void *),

void *arg );

功能：

创建一个线程。

参数：

thread：线程标识符地址。

attr：线程属性结构体地址，通常设置为 NULL。

start_routine：线程函数的入口地址。

arg：传给线程函数的参数。

返回值：

成功：0

失败：非 0

pthread_create() 创建的线程从指定的回调函数开始运行，该函数运行完后，该线程也就退出了。线程依赖进程存在的，共享进程的资源，如果创建线程的进程结束了，线程也就结束了。

代码链接：

https://gitee.com/two_thousand_and_thirteen/codes/7p0wx4gn6hjorezd53avm52

运行截图：

（3）回收线程资源

所需头文件：

#include

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

功能：

等待线程结束（此函数会阻塞），并回收线程资源，类似进程的 wait() 函数。如果线程已经结束，那么该函数会立即返回。

参数：

thread：被等待的线程号。

retval：用来存储线程退出状态的指针的地址。

返回值：

成功：0

失败：非 0

代码链接：

https://gitee.com/two_thousand_and_thirteen/codes/91rse72fjcdvki8qzlp3g73

运行结果：

（4）线程退出

在进程中我们可以调用 exit() 函数或 _exit() 函数来结束进程，在一个线程中我们可以通过 pthread_exit() 在不终止整个进程的情况下停止它的控制流。

所需头文件：

#include

void pthread_exit(void *retval);

功能：

退出调用线程。一个进程中的多个线程是共享该进程的数据段，因此，通常线程退出后所占用的资源并不会释放。

参数：

retval：存储线程退出状态的指针。

返回值：

无

代码链接：

https://gitee.com/two_thousand_and_thirteen/codes/tcjuyro2i45mbhkzfgs0716

运行结果：