精通Linux时间管理，从这7个接口开始

开源519

发布于 2025-02-27 10:22:39

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7个设置/获取接口了解Linux时间管理

引言

最近的项目开发中，频繁遇到了时间戳相关的问题，如时间回退至1970年、时区错误及时间同步不准确等。鉴于此前仅对时间接口的使用有所了解而未深入探究其原理，本篇文章进行一次系统性整理，以便后续参考。文章若存在一些错误，可在留言区明确指出。

注：文末提供本文源码获取方式。文章不定时更新，喜欢本公众号系列文章，可以星标公众号，避免遗漏干货文章。源码开源，如果对您有帮助，帮忙分享、点赞加收藏喔！

基础概念

Linux 中的时间形式主要以两种形式呈现：

相对时间 指相对于某个基准点来衡量时间流逝。通常用于描述进程运行的时间或两个事件之间的时间差。
- 进程时间 即进程消耗的时间，包含用户空间代码运行的时间和在内核在该进程消耗的时间（不包括进程被挂起或停止的时间）。
- 单调时间 是一种始终递增的时间计数器，不受系统时钟调整的影响，常用于计算程序内部的持续时间。
绝对时间 指具体的日期和时刻，它与地球上的特定时间标准相关联。
- GMT（Greenwich Mean Time 格林威治时间） 基于英国伦敦附近的格林尼治天文台的本初子午线的标准时间
- UTC（Universal Time Coordinated 世界标准时间） 一种国际标准时间，与GMT几乎相同，但更精确，用于避免地球自转速度变化带来的影响
- 本地时间 根据用户所在地理位置所采用的时间，会随地理位置的不同而有所差异，同时也会受到夏令时等因素的影响

实例测试

测试time/stime

time

void TestGetTime()
{
    // time UTC时间戳
    time_t tmt1 = time(NULL);
    printf("timestamp  : %ld\n", tmt1);

    // ctime_r UTC时间戳转换为本地时间字符串
    char cbuf[50] = {0};
    ctime_r(&tmt1, cbuf);
    printf("ctime_r    : %ld(%6d) %s", tmt1, 0, cbuf);

    // gmtime_r UTC时间戳转换为UTC时间字符串
    tm gtm;
    time_t tmt2;
    char gbuf[50] = {0};
    gmtime_r(&tmt1, &gtm);
    asctime_r(&gtm, gbuf);
    tmt2 = mktime(&gtm);    // mktime 会自动减时区
    printf("gmtime_r   : %ld(%6ld) %s %s", tmt2, tmt2-tmt1, gtm.tm_zone, gbuf);

    // 将时间戳转换为本地时间
    tm ltm;
    time_t tmt3;
    char lbuf[50] = {0};
    localtime_r(&tmt1, &ltm);
    asctime_r(&ltm, lbuf);
    tmt3 = mktime(&ltm);
    printf("localtime_r: %ld(%6ld) %s %s", tmt3, tmt3-tmt1, ltm.tm_zone, lbuf);

    char buf3[50] = {0};
    strftime(buf3, 50, "%Z %a %b %d %H:%M:%S %Y", &ltm);
    printf("strftime   : %ld(%6ld) %s\n", tmt3, tmt3-tmt1, buf3);
}

测试结果

timestamp  : 1732450363
ctime_r    : 1732450363(     0) Sun Nov 24 20:12:43 2024
gmtime_r   : 1732421563(-28800) CST Sun Nov 24 12:12:43 2024
localtime_r: 1732450363(     0) CST Sun Nov 24 20:12:43 2024
strftime   : 1732450363(     0) CST Sun Nov 24 20:12:43 2024

gmtime_r 打印的是UTC时间戳，与本地时间相差28800s (8h)，即本地与UTC时间相差8h。

测试gettimeofday/settimeofday

void Testgettimeofday()
{
    struct timeval tv;
    gettimeofday(&tv, NULL);
    printf("tv_sec: %ld, tv_usec: %ld\n", (long)tv.tv_sec, (long)tv.tv_usec);
}

void Testsettimeofday()
{
    Testgettimeofday();
    struct timeval tv1;
    tv1.tv_sec = 1731985300;
    tv1.tv_usec = 100;
    int ret = settimeofday(&tv1, NULL);
    if (ret == -1) {
        perror("settimeofday");
    }
    Testgettimeofday();
}

测试结果

tv_sec: 1732450828, tv_usec: 890873
tv_sec: 1731985300, tv_usec: 150

注意在调用设置时间接口时，需要root权限执行，否则会设置失败。

测试clock_gettime/clock_settime

void Testclock_gettime()
{
    std::string name[] = {
        "CLOCK_REALTIME",
        "CLOCK_MONOTONIC",
        "CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID",
        "CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID",
        "CLOCK_MONOTONIC_RAW",
        "CLOCK_REALTIME_COARSE",
        "CLOCK_MONOTONIC_COARSE",
        "CLOCK_BOOTTIME",
        "CLOCK_REALTIME_ALARM",
        "CLOCK_BOOTTIME_ALARM",
    };

    // printf("Test clock_gettime\n");
    printf("%-25s  %10s  %10s\n", "CLOCK TYPE", "SEC", "NSEC");
    printf("-----------------------------------------------------------------------------\n");
    for (int i = 0; i <= CLOCK_BOOTTIME_ALARM; i++) {
        struct timespec ts;
        clock_gettime(i, &ts);
        printf("%-25s: %10ld, %10ld\n", name[i].c_str(), (long)ts.tv_sec, (long)ts.tv_nsec);
    }
    printf("-----------------------------------------------------------------------------\n");
}

void Testclock_settime()
{
    Testclock_gettime();

    // Only CLOCK_REALTIME is allowed to be set
    struct timespec ts1;
    ts1.tv_sec = 1731985300;
    ts1.tv_nsec = 100;
    int ret = clock_settime(CLOCK_REALTIME, &ts1);
    if (ret == -1) {
        perror("clock_settime");
    }

    Testclock_gettime();
}

测试结果

CLOCK TYPE                        SEC        NSEC
-----------------------------------------------------------------------------
CLOCK_REALTIME           : 1732451153,  160842537
CLOCK_MONOTONIC          :      45250,  516265743
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID :          0,     908800
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID  :          0,     910400
CLOCK_MONOTONIC_RAW      :      45249,   35729391
CLOCK_REALTIME_COARSE    : 1732451153,  145187465
CLOCK_MONOTONIC_COARSE   :      45250,  500594052
CLOCK_BOOTTIME           :      45250,  516287258
CLOCK_REALTIME_ALARM     : 1732451153,  160881972
CLOCK_BOOTTIME_ALARM     :      45250,  516289642
-----------------------------------------------------------------------------
CLOCK TYPE                        SEC        NSEC
-----------------------------------------------------------------------------
CLOCK_REALTIME           : 1731985300,      32053
CLOCK_MONOTONIC          :      45250,  516347493
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID :          0,     988400
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID  :          0,     989400
CLOCK_MONOTONIC_RAW      :      45249,   35795309
CLOCK_REALTIME_COARSE    : 1731985300,        100
CLOCK_MONOTONIC_COARSE   :      45250,  516314680
CLOCK_BOOTTIME           :      45250,  516352354
CLOCK_REALTIME_ALARM     : 1731985300,      38528
CLOCK_BOOTTIME_ALARM     :      45250,  516353885
-----------------------------------------------------------------------------

从测试结果看，更改系统时间时，仅有时间源CLOCK_REALTIME、CLOCK_REALTIME_ALARM会随之修改而跳变，其他时间源不会随着系统时间的修改而跳变。在了解这些特性后，在编写应用程序时选择合适的时间源，以满足不同的需求。

测试sleep后，时间的变化

void TestTimeWithSleep(int sec)
{
    std::string name[] = {
        "CLOCK_REALTIME",
        "CLOCK_MONOTONIC",
        "CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID",
        "CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID",
        "CLOCK_MONOTONIC_RAW",
        "CLOCK_REALTIME_COARSE",
        "CLOCK_MONOTONIC_COARSE",
        "CLOCK_BOOTTIME",
        "CLOCK_REALTIME_ALARM",
        "CLOCK_BOOTTIME_ALARM",
    };

    struct timespec ots[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        clock_gettime(i, &ots[i]);
    }

    sleep(sec);
    struct  timespec nts[10];
    for (int j = 0; j < 10; j++) {
        clock_gettime(j, &nts[j]);
    }

    printf("%-25s  %10s %10s %10s %10s %7s %8s\n", "CLOCK TYPE", "OLDSEC", "OLDNSEC", "NEWSEC", "NEWNSEC", "DIFFSEC", "DIFFNSEC");
    printf("-------------------------------------------------------------------------------------------\n");
    for (int i = 0; i <= CLOCK_BOOTTIME_ALARM; i++) {
        printf("%-25s: %10ld %10ld %10ld %10ld %7ld %8ld\n",
        name[i].c_str(), (long)ots[i].tv_sec, (long)ots[i].tv_nsec,
        (long)nts[i].tv_sec, (long)nts[i].tv_nsec, (long)(nts[i].tv_sec - ots[i].tv_sec), (long)(nts[i].tv_nsec - ots[i].tv_nsec));
    }
}

测试结果

sleep 5s 结果如下：

CLOCK TYPE                     OLDSEC    OLDNSEC     NEWSEC    NEWNSEC DIFFSEC DIFFNSEC
-------------------------------------------------------------------------------------------
CLOCK_REALTIME           : 1732451618  944834581 1732451623  945683524       5   848943
CLOCK_MONOTONIC          :      45716  300258307      45721  301107230       5   848923
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID :          0    1010700          0    1048800       0    38100
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID  :          0    1011000          0    1050000       0    39000
CLOCK_MONOTONIC_RAW      :      45714  819871428      45719  820723025       5   851597
CLOCK_REALTIME_COARSE    : 1732451618  935986823 1732451623  935984705       5    -2118
CLOCK_MONOTONIC_COARSE   :      45716  291410495      45721  291408377       5    -2118
CLOCK_BOOTTIME           :      45716  300260726      45721  301110251       5   849525
CLOCK_REALTIME_ALARM     : 1732451618  944837451 1732451623  945687049       5   849598
CLOCK_BOOTTIME_ALARM     :      45716  300287520      45721  301111127       5   823607

从上述结果看，CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID和CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID没有记录sleep 5s的时间，也应征了上述所描述的进程挂起或停止时，进程时间不会记录。用times接口验证会更明显，sleep前后times获取的时间值基本没有变化。

测试修改时区

void TestSetTimeZone(const std::string& tz)
{
    int ret = 0;
    std::string target = "/usr/share/zoneinfo/" + tz;

    ret = unlink("/etc/localtime");
    if (ret == -1) {
        perror("unlink");
    }

    ret = symlink(target.c_str(), "/etc/localtime");
    if (ret == -1) {
        perror("symlink");
        return;
    }

    tzset();
    TestGetTimeZone();
    TestGetTime();
}

测试结果

设置时区America/New_York

timestamp  : 1732452775
ctime_r    : 1732452775(     0) Sun Nov 24 07:52:55 2024
gmtime_r   : 1732470775( 18000) EST Sun Nov 24 12:52:55 2024
localtime_r: 1732452775(     0) EST Sun Nov 24 07:52:55 2024
strftime   : 1732452775(     0) EST Sun Nov 24 07:52:55 2024

通过打印可看出时区已经显示EST，与Asia/Shanghai时区相差了13h。

总结

Linux 时间相关接口比较简单，之前没有系统了解过，一直使用的比较混乱，其实主要就是根据实际的精度需求选择对应的接口即可。
在嵌入式开发项目中，时区管理是一项不可忽视的任务。通常情况下，通过GPS基站或网络时间协议（NTP）服务器进行时间同步以确保设备时区的准确性。在调整时区时，推荐仅更新系统的时区配置文件，而不是直接对系统时间进行增减操作，以此避免可能的时间计算错误。
在实际项目中，推荐使用协调世界时（UTC）作为时间基准，而非依赖于本地时间。这是因为本地时间会因时区变更而发生变化，而UTC提供了一个全球统一的标准，不受地理位置的影响。
时间服务是操作系统中的基础组成部分之一，因此在进行时间校准时，需要仔细规划校准的时间点。不恰当的时间跳跃可能导致依赖于系统时间的应用程序和服务出现故障。
在过去的经验中，wait_for会随着时间跳变而异常。尽管印象中，不应该这样，其依赖的应该是相对时间即单调时间。经过查阅相关资料，发现gcc版本和glibc版本对wait_for都有影响，gcc >=10 且 glibc >= 2.30 才会对程序行为没有影响。