在计算机的世界里，时间是一种无形却又无处不在的力量，它如同精准的指挥棒，有条不紊地调度着系统中每一个进程的运行节奏，决定着任务的先后次序与执行时机。而 Linux 时间子系统，正是这幕后默默掌控时间的 “魔法中枢”。

它犹如一座精密的时钟塔，不仅为 Linux 操作系统提供了准确的时间计量，还巧妙地协调着各种与时间相关的操作，从系统的日常任务调度到应用程序的定时执行，从硬件设备的时钟同步到用户对时间信息的获取，无一不依赖于它的精心运作。接下来，就让我们一同深入这个神秘而又关键的 Linux 时间子系统，揭开它那精准掌控时间的奥秘面纱。

一、Linux时间子系统概述Linux 时间子系统是管理和维护系统时间的软件和硬件组件集合，对计算机系统运行和应用程序至关重要。Linux 时间子系统包括时钟驱动程序、时钟中断处理程序、系统时间管理程序、时钟同步协议等。其中，RTC（Real Time Clock，实时时钟）子系统是 Linux 内核中的一个重要部分，用于管理和操作硬件上的实时时钟。实时时钟通常是一块独立的硬件设备，即使系统处于关机状态也能保持运行，为系统提供精确的时间信息。Linux 内核提供了一组 API，让用户空间程序可以与 RTC 子系统进行交互，包括打开和关闭 RTC 设备文件、读取和设置当前时间、设置闹钟等。在 Linux 中，RTC 子系统通常通过 I2C、SPI 或 ACPI 等总线进行与硬件的通信，具体的硬件细节和支持的功能取决于系统架构和所使用的硬件平台。Linux 系统的晶振时间指的是系统时钟的精确度和准确性。它由硬件时钟提供，通常是一个晶体振荡器，用于提供稳定的时钟信号。晶振时间与系统时间紧密相关，影响着系统中所有命令和函数的时间计算。Linux 系统以 1970 年 1 月 1 日 0 点 0 分 0 秒（UTC）为参考点，计算机更喜欢使用从当前时间点到这个参考点的秒数来表示时间。因此，Linux 系统的晶振时间要确保系统时钟与这个参考点的时间保持一致，并提供秒级的精度。

二、时间概述解析2.1时间使用需求知时，即了解当前时间，其表达方式为时分秒、年月日。例如，我们查看电脑系统时间或者手机上的时间显示，都是在满足知时需求。在日常生活中，我们出门前查看时间决定是否会迟到，或者安排会议时需要确定具体的时间点，都是知时需求的体现。定时，则是在特定时间点得到通知，可以是相对或绝对时间，一次性或周期性告知。比如，手机闹钟在每天早上特定时间响起，是绝对时间点的周期性告知；而一些软件每隔一段时间自动更新，就是相对时间点的周期性告知。计时是确定某件事情从开始到结束所花费的时间。例如，在体育比赛中，裁判使用计时器记录运动员的比赛用时；在项目管理中，记录项目从启动到完成所耗费的时间。2.2时间体系要素时间体系由时间原点、基本单位和是否暂停这三个要素构成。自然时间体系以公元纪年为例，时间原点是耶稣诞生当年的一月一号零时零分零秒，基本单位是秒，且时间流逝不会暂停。全球统一使用这样的自然时间体系，使得人们在讨论时间时非常方便，无需进行复杂的时间转换。如果不同国家采用不同的时间体系，原点和基本单位各不相同，那么时间转换将变得极为麻烦。2.3时间表示维度人类善于理解多维度的时间表示，如年、月、日、时、分、秒等。而计算机更擅长处理单维度的时间表示。但如果计算机单纯以秒为基本单位，精度不足；若以纳秒为基本单位，数值又太大。因此，计算机采用两层表示维度，超过 1 秒的时间用秒表示，不够一秒的时间用纳秒表示，每 10 亿纳秒向前进位一秒。这样既保证了时间处理的精度，又便于计算机进行高效运算。2.4时钟与走时时钟，包括硬件、软件、机械、电子等各种形式，都是用来追踪和记录自然时间流逝的工具。走时是时钟追踪和记录时间流逝的动作。例如，我们常说某个表走时精准，就是指这个表能够准确地记录时间的流逝。走时的概念对于理解后续关于时间子系统的内容非常重要，因为它涉及到时间的精准测量和记录。2.5时间需求关系知时和计时可以相互转化。当我们在事情开始时记录时间，结束时再记录时间，两者之间的时间差值就是计时。同时，定时也与知时和计时有一定的关系。通过定时，我们可以在特定时间点触发知时或计时的操作。例如，设定一个闹钟，在闹钟响起时，我们可以查看当前时间（知时），或者开始记录某一事件的时间（计时）。这种相互转化关系使得时间子系统在满足不同时间需求时更加灵活和高效。

三、硬件基础在生活中我们有各种各样的时钟来满足我们对时间的需求。比如以前家里常用的座钟、挂钟，个人也会戴个机械手表或者电子手表，这些时钟既能知时也能定时(有闹钟功能)，知时本身也能转化为计时。所以一个时钟就能满足我们对时间的所有需求。在有些场合比如大学运动会时，会有专门的计时器，在比赛开始之前把计时器清零，比赛开始的时候按下开始，计时器开始走时，然后每当有一个人达到终点的时候按一下计时，计时器就会把当时的时间记下来，当所有人都跑完的时候按下结束，计时器停止走时。然后回看计时器就可以看到每个人跑完一千米的用时了。这种专用的计时器用来计时就非常方便。现在家里有座钟、挂钟的人已经非常少了，戴手表的人也非常少了，大家基本都是用手机来看时间。手机不仅桌面上有时间显示，里面还有个时钟App，它和以前的时钟功能差不多，而且更强大。时钟App里面不仅能看时间(知时)，还能定闹钟(绝对时间定时)，里面还有一个计时器功能，实际上是倒计时，倒计时的本质是相对时间定时。里面还有一个秒表的功能，和我们前面说的运动会计时器的功能是一样的，所以秒表是个专业的计时器。所以手机上的时钟App完美得实现了我们对时间的所有需求。手机实际上就是个计算机系统，而且安卓手机用的还是Linux内核。时钟App所实现的功能需要Linux内核的支持，内核时间子系统的实现需要有硬件的支持。深入理解Linux时间子系统(0.7)_一文搞懂|linux时钟子系统-CSDN博客手机实际上就是个计算机系统，而且安卓手机用的还是Linux内核。时钟App所实现的功能需要Linux内核的支持，内核时间子系统的实现需要有硬件的支持。3.1时钟硬件类型计算机中有三类主要的时钟硬件，分别是真时钟 RTC（Real Time Clock）、定时器 Timer 和计时器 Counter。RTC 相当于生活中的手表、座钟，能够提供当前的 “时刻” 信息；定时器 Timer 则类似闹钟，以固定时间间隔向 CPU 发送中断信号；计时器 Counter 是一个整数寄存器，通过特定时间间隔增长来计算时间差，精度很高。

3.2x86 平台时钟在 x86 平台上，时钟硬件有其独特的特点。真时钟 RTC 在硬件实现上也叫 RTC，与 CMOS（BIOS 设置保存数据的地方）放在一起，由纽扣电池供电，有时也被称为 CMOS 时钟。在单处理器（UP）时代，定时器是 PIT（Programmable Interval Timer），一般设置每秒产生 100、250、300、1000 个定时器中断，这个值叫做 HZ。到了对称多处理（SMP）时代，有多种定时器，如 Local APIC Timer，每个 Local APIC 对应一个 CPU，专门给自己对应的 CPU 发送定时器中断；还有 HPET（High Precision Event Timer），由 Intel 和微软共同研发，不仅是定时器，还具有计时器功能，且不和特定的 CPU 绑定，可以给任意一个 CPU 发中断。计时器方面，x86 上最常用的是 TSC（Time Stamp Counter），是个 64 位整数寄存器，读取速度快。还有 ACPI PMT（ACPI Power Management Timer），但它是设备寄存器，需要通过 IO 端口来读取。3.3ARM 平台时钟ARM 平台的时钟体系也有其特点。以 S3C2440 为例，主时钟晶振来自外部晶振或外部时钟，时钟生成器包含一个振荡器，连接外部晶振可产生高频，通过引脚 OM [3:2] 决定时钟源是 Crystal 还是 EXTCLK。有两个 PLL，MPLL 用于产生 FCLK（用于 CPU 核）、HCLK（用于 AHB 总线的设备）、PCLK（用于 APB 总线的设备），UPLL 专用于 USB 设备。时钟启动流程是，上电几毫秒后，外部晶振输出稳定，FCLK = 外部晶振频率（如 12MHz），nRESET 信号恢复高电平后，CPU 开始执行命令。设置 MPLL 的寄存器后，需等待一段时间（Lock Time），MPLL 输出才稳定，这段时间内 FCLK 停振，CPU 停止工作。Lock Time 的长短由寄存器 LOCKTIME 设定。此外，ARM9 时钟有三个时钟源，FLCK 用于 CPU 时钟，HCLK 用于 AHB 总线，PCLK 用于 APB 总线，有两个 PLL，MPLL 产生三个时钟源，UPLL 专用于 USB 设备。定时器的时钟源经过两次分频后才进入定时器模块。

四、用户框架API4.1知时 API知时 API 主要用于获取当前系统时间。在 Linux 系统中，可以通过多种方式实现知时功能。例如，使用 time 函数可以获取当前时间的秒数，这个时间是从 1970 年 1 月 1 日 0 点 0 分 0 秒（UTC）以来的时间戳。另外，localtime 和 gmtime 函数可以将时间戳转换为具体的时间结构，包含年、月、日、时、分、秒等信息，方便用户查看。知时 API 的作用非常广泛。在日常的应用开发中，开发者可以通过知时 API 获取当前时间，用于日志记录、时间戳生成等。例如，在一个网络应用中，可以在每次请求时记录当前时间，以便进行性能分析和故障排查。在一些需要时间同步的应用中，知时 API 可以提供准确的本地时间，以便与其他系统进行时间对比和同步。第一代知时API：#include <time.h>

time_t time(time_t *tloc);

int stime(const time_t *t);time_t是一个整数类型，代表的是从UNIX Epoch，也就是1970-01-01 00:00:00 +0000 (UTC)以来的秒数。UTC是世界协调时的意思，是0时区的时间。世界各地的时区是不同的，为了方便全球交流，底层的时间都是用的UTC，在上层显示的时候可以根据时区转化为当地时间。为什么要选择1970年，因为这一年UNIX诞生了。time函数是获取时间的，它可以在返回值和输出参数tloc同时返回时间，如果tloc是NULL的话就算了。stime是设置系统当前时间的，进程需要有CAP_SYS_TIME才能设置成功。第二代知时API：显然以秒为单位获取和设置时间太粗略了，于是第二代API出现了，它是以微妙为单位。 #include <sys/time.h>

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

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

struct timeval {

time_t tv_sec; /* seconds */

suseconds_t tv_usec; /* microseconds */

};timeval结构体和time_t相比多了一个微妙的字段，它代表的是从UNIX Epoch以来的秒数和微妙数，超过一秒的用秒表示，不够一秒的用微妙表示，这样表示时间的精度就大大提高了。timezone 参数已经被废弃了，使用时请设置为NULL。第三代知时API：随着计算机的发展，第二代API的微妙级精度已经不够了，于是第三代API纳秒级的精度来了。第三代API不仅提高了精度，而且还有一个新的变化，就是可以指定时间体系了，我们前面说的时间体系的概念终于要派上用场了。#include <time.h>

int clock_getres(clockid_t clockid, struct timespec *res);

int clock_gettime(clockid_t clockid, struct timespec *tp);

int clock_settime(clockid_t clockid, const struct timespec *tp);

struct timespec {

time_t tv_sec; /* seconds */

long tv_nsec; /* nanoseconds */

};首先参数变成了timespec，它有秒和纳秒两个字段，时间的表示精度一下子就提高到了纳秒级别。为啥说是表示精度呢？因为数值能表示到纳秒不代表硬件就有纳秒的精度，于是我们需要第一个函数clock_getres来查询底层硬件的精度。如果没有clockid这个参数的话，clock_gettime、clock_settime这两个函数和前面两个函数基本没有区别，除了精度有区别之外。那么clockid代表什么意思呢？它就是我们在第一章所讲的时间体系再加上一些其它属性。我们再来回顾一下时间体系的三个要素，1时间原点，2时间基本单位，3时间是否会暂停。我们所使用的所有时间的基本单位都是秒，所以第二个要素就不用考虑了，就只剩下时间原点和时间是否会暂停了。