嵌入式Linux系统编程 — 5.3 times、clock函数获取进程时间

1 进程时间概念

2 times 函数

2.1 times 函数介绍

2.2 示例程序

3 clock 函数

3.1 clock 函数介绍

3.2 示例程序

1 进程时间概念

进程时间指的是进程从创建后（也就是程序运行后）到目前为止这段时间内使用 CPU 资源的时间总数，出于记录的目的，内核把 CPU 时间（进程时间）分为以下两个部分：

用户 CPU 时间：进程在用户空间（用户态）下运行所花费的 CPU 时间。有时也成为虚拟时间（virtual time）。
系统 CPU 时间：进程在内核空间（内核态）下运行所花费的 CPU 时间。这是内核执行系统调用或代表进程执行的其它任务（譬如，服务页错误）所花费的时间。

一般来说，进程时间指的是用户 CPU 时间和系统 CPU 时间的总和，也就是总的 CPU 时间

Tips：进程时间不等于程序的整个生命周期所消耗的时间，如果进程一直处于休眠状态（进程被挂起、不会得到系统调度），那么它并不会使用 CPU 资源，所以休眠的这段时间并不计算在进程时间中。

2 times 函数

2.1 times 函数介绍

times函数是用来获取进程占用CPU的时间信息的，函数返回自进程启动以来，在用户模式和内核模式下消耗的CPU时间。times函数的原型定义在sys/times.h头文件中，其定义如下：

#include <sys/times.h>

clock_t times(struct tms *buf);

buf：times()会将当前进程时间信息存在一个 struct tms 结构体数据中，其定义如下：

struct tms {
    clock_t tms_utime;  // 用户模式下的CPU时间
    clock_t tms_stime;  // 内核模式下的CPU时间
    clock_t tms_cutime; // 子进程在用户模式下的CPU时间
    clock_t tms_cstime; // 子进程在内核模式下的CPU时间
};

返回值：返回值类型为 clock_t（实质是 long 类型），调用成功情况下，将返回从过去任意的一个时间点（譬如系统启动时间）所经过的时钟滴答数（其实就是系统节拍数），将(节拍数 / 节拍率)便可得到秒数，返回值可能会超过 clock_t 所能表示的范围（溢出）；调用失败返回-1，并设置 errno。

2.2 示例程序

下面的程序通过 times()来计算程序中某一段代码执行所耗费的进程时间和总的时间，测试程序如下所示：

#include <stdio.h>
#include <sys/times.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>

int main() {
    struct timespec start, end;
    clock_t start_clk_t, end_clk_t;
    struct tms start_tms, end_tms;
    long clock_ticks;
    int i;

    // 获取系统时钟的滴答数
    clock_ticks = sysconf(_SC_CLK_TCK);

    // 记录开始时间（CPU时间和实际时间）
    times(&start_tms);
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);

    // 模拟一些工作，例如循环
    for (i = 0; i < 1000000; i++) {
        // 这里可以放置一些计算操作，比如 i * i
    }

    // 记录结束时间（CPU时间和实际时间）
    times(&end_tms);
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);

    // 计算CPU时间差（用户模式和内核模式）
    clock_t total_utime = end_tms.tms_utime - start_tms.tms_utime;
    clock_t total_stime = end_tms.tms_stime - start_tms.tms_stime;

    // 计算实际运行时间差（秒和纳秒）
    long seconds = end.tv_sec - start.tv_sec;
    long nanoseconds = end.tv_nsec - start.tv_nsec;

    // 打印结果
    printf("User mode CPU time used: %ld seconds\n", total_utime / clock_ticks);
    printf("Kernel mode CPU time used: %ld seconds\n", total_stime / clock_ticks);
    printf("Real time used: %ld seconds and %ld nanoseconds\n", seconds, nanoseconds);

    return 0;
}

程序中使用 sysconf(_SC_CLK_TCK)获取到系统节拍率，程序还使用了一个库函数 sleep()模拟程序运行，可以看到用户 CPU 时间为 1.9 秒，系统 CPU 时间为 0 秒，也就是说测试的这段代码并没有进入内核态运行，所以总的进程时间 = 用户 CPU 时间 + 系统 CPU 时间 = 1.9 秒。运行结果如下：

3 clock 函数

3.1 clock 函数介绍

clock函数是用来获取程序的CPU时间（也就是进程时间）。函数返回自程序启动以来，程序所占用的CPU时间总量，包括用户模式和内核模式下的时间。clock函数的原型定义在time.h头文件中，其定义如下：

#include <time.h>

clock_t clock(void);

注意：clock()函数虽然可以很方便的获取总的进程时间，但并不能获取到单独的用户 CPU 时间和系统 CPU 时间，在实际编程当中，根据自己的需要选择。

3.2 示例程序

下面是一个使用clock函数的简单示例：

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main() {
    clock_t start, end;
    double cpu_time_used;
    int i, j;

    start = clock(); // 记录开始时间

    for (i = 0; i < 20000; i++)
        for (j = 0; j < 20000; j++)
            ; // 空操作，用于消耗CPU时间

    end = clock(); // 记录结束时间

    // 计算CPU时间使用量（秒）
    cpu_time_used = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;

    printf("CPU time used: %f seconds\n", cpu_time_used);

    return 0;
}

程序首先记录了程序开始时的CPU时间，然后执行了一些操作，接着记录了结束时的CPU时间。通过计算这两个时间的差值，我们得到了程序占用CPU的总时间，并将其转换为秒。程序运行结果如下：