Linux 高精確的時序（sleep， usleep，nanosleep）

矫情吗；* 2022-04-10 07:42 127阅读 0赞

### Linux 高精確的時序（sleep， usleep，nanosleep） ###

2009-04-16 11:36:48| 分类： [Linux][] | 标签：无|字号订阅

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首先, 我会说不保证你在使用者模式 (user-mode) 中执行的行程 (process) 能够精确地控制时序因为 Linux 是个多工的作业环境. 你在执行中的行程 (process) 随时会因为各种原因被暂停大约 10 毫秒到数秒 (在系统负荷非常高的时候). 然而, 对於大多数使用 I/O 埠的应用而言, 这个延迟时间实际上算不了什麽. 要缩短延迟时间, 你得使用函式 nice 将你在执行中的行程 (process ) 设定成高优先权(请参考 `nice(2)` 使用说明文件) 或使用即时排程法 (real-time scheduling) (请看下面).

如果你想获得比在一般使用者模式 (user-mode) 中执行的行程 (process) 还要精确的时序, 有一些方法可以让你在使用者模式 (user-mode) 中做到 \`即时' 排程的支援. Linux 2.x 版本的核心中有软体方式的即时排程支援; 详细的说明请参考 `sched_setscheduler(2)` 使用说明文件. 有一个特殊的核心支援硬体的即时排程; 详细的资讯请参考网页 [http://luz.cs.nmt.edu/~rtlinux/][http_luz.cs.nmt.edu_rtlinux]

### 休息中 (Sleeping) : `sleep()` 与 `usleep()` ###

现在, 让我们开始较简单的时序函式呼叫. 想要延迟数秒的时间, 最佳的方法大概 是使用函式 `sleep()` . 想要延迟至少数十毫秒的时间 (10 ms 似乎已是最短的 延迟时间了), 函式 `usleep()` 应该可以使用. 这些函式是让出 CPU 的使用权 给其他想要执行的行程 (processes) (\`\`自己休息去了''), 所以没有浪费掉 CPU 的时间. 细节请参考 `sleep(3)` 与 `usleep(3)` 的说明文件.

如果让出 CPU 的使用权因而使得时间延迟了大约 50 毫秒 (这取决於处理器与机器的速度, 以及系统的负荷), 就浪费掉 CPU 太多的时间, 因为 Linux 的排程器 (scheduler) (单就 x86 架构而言) 在将控制权发还给你的行程 (process) 之前通常至少要花费 10-30 毫秒的时间. 因此, 短时间的延迟, 使用函式 `usleep(3)` 所得到的延迟结果通常会大於你在参数所指定的值, 大约至少有 10 ms.

### `nanosleep()` ###

在 Linux 2.0.x 一系列的核心发行版本中, 有一个新的系统呼叫 (system call), `nanosleep()` (请参考 `nanosleep(2)` 的说明文件), 他让你能够 休息或延迟一个短的时间 (数微秒或更多).

如果延迟的时间 <= 2 ms, 若(且唯若)你执行中的行程 (process) 设定了软体的即时 排程 (就是使用函式 tt/sched\_setscheduler()/), 呼叫函式 `nanosleep()` 时 不是使用一个忙碌回圈来延迟时间; 就是会像函式 `usleep()` 一样让出 CPU 的使用权休息去了.

这个忙碌回圈使用函式 `udelay()` (一个驱动程式常会用到的核心内部的函式) 来达成, 并且使用 BogoMips 值 (BogoMips 可以准确量测这类忙碌回圈的速度) 来计算回圈延迟的时间长度. 其如何动作的细节请参考 `/usr/include/asm/delay.h`).

### 使用 I/O 埠来延迟时间 ###

另一个延迟数微秒的方法是使用 I/O 埠. 就是从埠位址 0x80 输入或输出任何 byte 的资料 (请参考前面) 等待的时间应该几乎只要 1 微秒这要看你的处理器的型别与速度. 如果要延迟数微秒的时间你可以将这个动作多做几次. 在任何标准的机器上输出资料到该 埠位址应该不会有不良的後果□对 (而且有些核心的设备驱动程式也在使用他). `{in|out}[bw]_p()` 等函式就是使用这个方法来产生时间延迟的 (请参考档案 `asm/io.h`).

实际上, 一个使用到埠位址□围为 0-0x3ff 的 I/O 埠指令几乎只要 1 微秒的时间, 所以如果你要如此做, 例如, 直接使用并列埠, 只要加上几个 `inb()` 函式从该 埠位址□围读入 byte 的资料即可.

### 使用组合语言来延迟时间 ###

如果你知道执行程式所在机器的处理器型别与时钟速度, 你可以执行某些组合语言指令以便获得较短的延迟时间 (但是记住, 你在执行中的行程 (process) 随时会被暂停, 所以有时延迟的时间会比实际长). 如下面的表格所示, 内部处理器的速度决定了所要使用的时钟周期数; 如, 一个 50 MHz 的处理器 (486DX-50 或 486DX2-50), 一个时钟周期要花费 1/50000000 秒 (=200 奈秒).

>     指令          i386 时钟周期数       i486 时钟周期数
>     nop                   3                   1
>     xchg %ax,%ax          3                   3
>     or %ax,%ax            2                   1
>     mov %ax,%ax           2                   1
>     add %ax,0             2                   1

(对不起, 我不知道 Pentiums 的资料, 或许与 i486 接近吧. 我无法在 i386 的资料上找到只花费一个时钟周期的指令. 如果能够就请使用花费一个时钟周期的指令, 要不然就使用管线技术的新式处理器也是可以缩短时间的.)

上面的表格中指令 `nop` 与 `xchg` 应该不会有不良的後果. 指令最後可能会 改变旗号暂存器的内容, 但是这没关系因为 gcc 会处理. 指令 `nop` 是个好的选择.

想要在你的程式中使用到这些指令, 你得使用 `asm("instruction")`. 指令的语法就如同上面表格的用法; 如果你想要在单一的 `asm()` 叙述中使用多个指令, 可以使用分号将他们隔开. 例如, `asm("nop ; nop ; nop ; nop")` 会执行四个 `nop` 指令, 在 i486 或 Pentium 处理器中会延迟四个时钟周期 (或是 i386 会延迟 12 个时钟周期).

gcc 会将 `asm()` 翻译成单行组合语言程式码, 所以不会有呼叫函式的负荷.

在 Intel x86 架构中不可能有比一个时钟周期还短的时间延迟.

### 在 Pentiums 处理器上使用函式 `rdtsc` ###

对於 Pentiums 处理器而言, 你可以使用下面的 C 语言程式码来取得自从上次重新开机 到现在经过了多少个时钟周期:

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extern __inline__ unsigned long long int rdtsc()
       {
        
         unsigned long long int x;
         __asm__ volatile (".byte 0x0f, 0x31" : "=A" (x));
         return x;
       }

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你可以询问参考此值以便延迟你想要的时钟周期数.

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想要时间精确到一秒钟, 使用函式 `time()` 或许是最简单的方法. 想要时间更精确, 函式 `gettimeofday()` 大约可以精确到微秒 (但是如前所述会受到 CPU 排程的影响). 至於 Pentiums 处理器, 使用上面的程式码片断就可以精确到一个时钟周期.

如果你要你执行中的行程 (process) 在一段时间到了之後能够被通知 (get a signal), 你得使用函式 `setitimer()` 或 `alarm()` . 细节请参考函式的使用说明文件.

[Linux]: http://freewind886.blog.163.com/blog/#m=0&t=1&c=fks_087065082080080075082085080095082080080074086082080071
[http_luz.cs.nmt.edu_rtlinux]: http://luz.cs.nmt.edu/~rtlinux/