20191205 2021-2022-1-diocs-定時器及時鍾服務（第八周學習筆記）
一、任務詳情
自學教材第5章，提交學習筆記（10分）
知識點歸納以及自己最有收獲的內容 （3分）
問題與解決思路（2分）
實踐內容與截圖，代碼鏈接（3分）
...（知識的結構化，知識的完整性等，提交markdown文檔，使用openeuler系統等）（2分）
二、教材內容歸納整理
本章討論了定時器和定時器服務;介紹了硬件定時器的原理和基於Intel x86的 PC 中的硬件定時器;講解了 CPU操作和中斷處理;描述了Linux中與定時器相關的系統調用、庫函數和定時器服務命令;探討了進程間隔定時器、定時器生成的信號，並通過示例演示了進程間隔定時器。編程項目的目的是要在一個多任務處理系統中實現定時器、定時器中斷和間隔定時器。多任務處理系統作為—個Linux進程運行，該系統是 Linux進程內並發任務的一一個虛擬 CPU。Linux 進程的實時模式間隔定時器被設計為定期生成SIGALRM信號，充當虛擬CPU 的定時器中斷，虛擬CPU使用SIGALRM信號捕捉器作為定時器的中斷處理程序。該項目可讓讀進程通過定時器隊列實現任務間隔定時器，還可讓讀進程使用Linux 信號掩碼來實現臨界區，以防止各項任務和中斷處理程序之間出現競態條件。
思維導圖
一、知識點總結
1.個人計算機定時器
（1）實時時鍾（RTC）：RTC由一個小型備用電池供電。即使在個人計算機關機時，它也能連續運行。它用於實時提供時間和日期信息。當Linux啟動時，它使用RTC更新系統時間變量，以與當前時間保持一致。在所有類Unix 系統中，時間變量是一個長整數，包含從1970年1月1日起經過的秒數。
（2）可編程間隔定時器（PIT）（Wang 2015）∶PIT是與CPU分離的一個硬件定時器。可對它進行編程，以提供以毫秒為單位的定時器刻度。在所有I/O設備中，PIT 可以最高優先級 IRQ0中斷。PIT定時器中斷由Linux 內核的定時器中斷處理程序來處理，為系統操作提供基本的定時單元，例如進程調度、進程間隔定時器和其他許多定時事件。
（3）多核CPU 中的本地定時器（Intel 1997;Wang 2015））∶在多核CPU中，每個核都是一個獨立的處理器，它有自己的本地定時器，由 CPU時鍾驅動。
（4）高分辨率定時器∶大多數電腦都有一個時間戳定時器（TSC）由系統時鍾驅動。它的內容可通過64 位 TSC寄存器讀取。由於不同系統主板的時鍾頻率可能不同，TSC不適合作為實時設備，但它可提供納秒級的定時器分辨率。—些高端個人計算機可能還配備有專用高速定時器，以提供納秒級定時器分辨率。
2.CPU操作
每個CPU都有一個程序計數器（PC），也稱為指令指針（IP），以及一個標志或狀態寄存器（SR）、一個堆棧指針（SP）和幾個通用寄存器，當 PC指向內存中要執行的下一條指令時，SR包含 CPU 的當前狀態，如操作模式、中斷掩碼和條件碼，SP指向當前堆棧棧頂。
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.中斷處理
外部設備（如定時器）的中斷被饋送到中斷控制器的預定義輸入行（Intel 1990;Wang 2015），按優先級對中斷輸入排序，並將具有最高優先級的中斷作為中斷請求（IRQ）路由到 CPU。
對於每個中斷，可以編程中斷控制器以生成一個唯一編號，叫作中斷向量，標識中斷源。在獲取中斷向量號后，CPU用它作為內存中中斷向量表（AMD64 20I1）中的條目索引，條目包含一個指向中斷處理程序入口地址的指針來實際處理中斷。當中斷處理結束時，CPU恢復指令的正常執行。
4.間隔定時器
間隔定時器由 setitimer（）系統調用創建。getitimer（）系統調用返回間隔定時器的狀態。
int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
int setitimer(int which,const struct itimerval *new_value,
struct itimerva1 *old_value);
各間隔定時器在參數 which指定的不同時間域中工作。當間隔定時器定時到期時，會向進程發送一個信號，並將定時器重置為指定的間隔值（如果是非零數）。一個信號就是發送給某個進程進行處理的一個數字（1到31）。有3類間隔定時器，分別是:
（1）ITIMER_REAL:實時減少，在到期時生成一個SIGALRM（14）信號。
（2）ITIMER_VIRTUAL:僅當進程在用戶模式下執行時減少，在到期時生成一個SIGVTALRM（26）信號。
（3）ITIMER PROF:當進程正在用戶模式和系統（內核）模式下執行時減少。這類間隔
5.間隔定時器
定時器計時，並向進程生成一個信號。操作系統內核不必使用額外的數據結構來處理進程的VIRTUAL 和 PROF定時器。但是，REAL模式間隔定時器各不相同，因為無論進程是否正在執行，它們都必須由定時器中斷處理程序來更新。因此，操作系統內核必須使用額外的數據結構來處理進程的 REAL 模式定時器，並在定時器到期或被取消時采取措施。在大多數操作系統內核中，使用的數據結構都是定時器隊列。我們將在本章末尾解釋編程項目中的定時器隊列。
二、最有收獲的內容
Gettimeofday-settimeofday系統調用
#include <sys/time.h> int gettimeofday(struct timeval*tv,struct timezone *tz); int settimeofday(const struct timeval *tv,const struct timezone *tz);
這些是對Linux 內核的系統調用。第一個參數 tv指向一個timeval結構體。
struct timeval { time_t tv_BeC; /* secondg */tV_ugec; suseConds_t tv_usec /* microseconds * /);
第二個參數 timezone已過期，應設置為NULL。gettimeofday（）函數用於返回當前時間（當前秒的秒和微秒）。settimeofday（函數用於設置當前時間。在 Unix/Linux中，時間表示自1970年1月1日00∶00∶00起經過的秒數。它可以通過庫函數 ctime（&time）轉換為日歷形式。
time系統調用
time_t time(time_t *t)
以秒為單位返回當前時間。如果參數t不是NULL，還會將時間存儲在t指向的內存中。time 系統調用具有一定的局限性，只提供以秒為單位的分辨率，而不是以微秒為單位。
times系統調用
clock_t times(struct tms *buf);
可用於獲取某進程的具體執行時間。它將進程時間存儲在 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 );
以時鍾計時單元報告所有時間。這可以為分析某個正在執行的進程提供信息，包括其子進程的時間。
time和data命令
date：打印或設置系統日期和時間。
time：報告進程在用戶模式和系統模式下的執行時間和總時間。
hwclock：查詢並設置硬件時鍾（RTC），也可以通過 BIOS來完成。
三、問題與解決思路（解決思路是基於OpenEuler系統下解決的）
問題：Linux里如何用C編程實現gettimeofday系統調用
解決思路：
編寫C代碼實現gettimeofday（）系統調用來獲取系統時間
#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)); }
運行截圖：
問題：Linux里如何用C編程實現settimeofday系統調用
解決思路：
編寫C代碼實現time系統調用
#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); }
運行截圖：
四、實踐內容（截圖、代碼鏈接）
Linux多任務編程——多線程實現多任務
（1）線程號的比較
所需頭文件：
#include
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
功能：
判斷線程號 t1 和 t2 是否相等。為了方便移植，盡量使用函數來比較線程 ID。
參數：
t1，t2：待判斷的線程號。
返回值：
相等： 非 0
不相等：0
代碼鏈接：
https://gitee.com/two_thousand_and_thirteen/codes/mgadw1n0ft5k4lqr7oscj41
運行截圖：
（2）線程的創建
所需頭文件：
#include
int pthread_create( pthread_t *thread,
const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine)(void *),
void *arg );
功能：
創建一個線程。
參數：
thread：線程標識符地址。
attr：線程屬性結構體地址，通常設置為 NULL。
start_routine：線程函數的入口地址。
arg：傳給線程函數的參數。
返回值：
成功：0
失敗：非 0
pthread_create() 創建的線程從指定的回調函數開始運行，該函數運行完后，該線程也就退出了。線程依賴進程存在的，共享進程的資源，如果創建線程的進程結束了，線程也就結束了。
代碼鏈接：
https://gitee.com/two_thousand_and_thirteen/codes/7p0wx4gn6hjorezd53avm52
運行截圖：
（3）回收線程資源
所需頭文件：
#include
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
功能：
等待線程結束（此函數會阻塞），並回收線程資源，類似進程的 wait() 函數。如果線程已經結束，那么該函數會立即返回。
參數：
thread：被等待的線程號。
retval：用來存儲線程退出狀態的指針的地址。
返回值：
成功：0
失敗：非 0
代碼鏈接：
https://gitee.com/two_thousand_and_thirteen/codes/91rse72fjcdvki8qzlp3g73
運行結果：
（4）線程退出
在進程中我們可以調用 exit() 函數或 _exit() 函數來結束進程，在一個線程中我們可以通過 pthread_exit() 在不終止整個進程的情況下停止它的控制流。
所需頭文件：
#include
void pthread_exit(void *retval);
功能：
退出調用線程。一個進程中的多個線程是共享該進程的數據段，因此，通常線程退出后所占用的資源並不會釋放。
參數：
retval：存儲線程退出狀態的指針。
返回值：
無
代碼鏈接：
https://gitee.com/two_thousand_and_thirteen/codes/tcjuyro2i45mbhkzfgs0716
運行結果：
