Linux计时函数是操作系统时间管理的重要组成部分,广泛应用于性能分析、任务调度、延时控制等场景，Linux提供了多种计时函数，涵盖高精度、低开销、跨平台等不同需求，理解这些函数的原理与适用场景，对于开发高效、稳定的系统级应用至关重要，本文将详细介绍Linux中常用的计时函数，包括其工作机制、使用方法及注意事项。
时间表示基础
在讨论计时函数前,需先了解Linux中的时间表示方式，Linux主要使用两种时间结构体：time_t和struct timespec。time_t是一个整数类型，表示自1970年1月1日00:00:00 UTC以来的秒数，精度为秒，常用于表示日历时间，而struct timespec则提供了更高精度的表示，包含tv_sec（秒）和tv_nsec（纳秒）两个成员，适用于需要微秒或纳秒级精度的场景。struct timeval（包含tv_sec和tv_usec，微秒精度）在部分旧接口中仍有使用，但新代码推荐优先采用struct timespec，因其支持纳秒精度且更符合POSIX标准。
高精度计时函数
clock_gettime()与clock_settime()
clock_gettime()是POSIX标准推荐的高精度计时函数，用于获取特定时钟的时间，其原型为：
#include <time.h> int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);
clk_id参数指定时钟类型，常用值包括：
CLOCK_REALTIME：实时时钟，受系统时间调整影响，用于获取日历时间；CLOCK_MONOTONIC：单调时钟，从系统启动开始计时，不受系统时间修改影响，适合测量耗时；CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID：进程CPU时间，统计进程使用的CPU时间（用户态+内核态）；CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID：线程CPU时间，统计线程使用的CPU时间。
clock_settime()可设置CLOCK_REALTIME的时间，但需root权限，通常用于时间同步场景。
示例：测量代码执行耗时
struct timespec start, end;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);
// 待测代码
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);
double elapsed = (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1e9;
printf("Elapsed time: %.6f seconds\n", elapsed);
gettimeofday()
gettimeofday()是传统的微秒级计时函数，虽非POSIX标准（但广泛支持），但在某些场景下仍被使用：
#include <sys/time.h> int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
tv参数返回当前时间（秒+微秒），tz已废弃，通常传入NULL，与clock_gettime()相比，gettimeofday()精度较低（微秒），且受系统时间调整影响，不推荐用于高精度计时。
进程/线程CPU时间统计
times()
times()函数用于获取进程及其子进程的CPU时间统计，返回类型为clock_t（通常为时钟滴答数）：
#include <sys/times.h> clock_t times(struct tms *buf);
struct tms包含四个字段：
tms_utime：用户态CPU时间；tms_stime：内核态CPU时间；tms_cutime：子进程用户态CPU时间；tms_cstime：子进程内核态CPU时间。
需通过sysconf(_SC_CLK_TCK)获取每秒时钟滴答数，将时间转换为秒。
示例：
struct tms buf;
clock_t ticks = times(&buf);
double user_time = buf.tms_utime / (double)sysconf(_SC_CLK_TCK);
printf("User CPU time: %.2f seconds\n", user_time);
getrusage()
getrusage()可获取进程或线程的资源使用情况，包括CPU时间、内存占用等：
#include <sys/resource.h> int getrusage(int who, struct rusage *usage);
who参数可选RUSAGE_SELF（当前进程）、RUSAGE_CHILDREN（子进程）或RUSAGE_THREAD（当前线程，需定义_GNU_SOURCE）。ru_utime和ru_stime分别返回用户态和内核态CPU时间（秒+微秒）。
示例：
struct rusage usage;
getrusage(RUSAGE_SELF, &usage);
double sys_time = usage.ru_stime.tv_sec + usage.ru_stime.tv_usec / 1e6;
printf("System CPU time: %.2f seconds\n", sys_time);
休眠与定时器函数
休眠函数
nanosleep()：高精度休眠函数，参数为struct timespec，支持纳秒级精度：#include <time.h> int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);
若被信号中断,剩余休眠时间通过
rem返回，可循环调用直至休眠完成。sleep()：秒级休眠，底层调用nanosleep()，但中断后不会继续休眠：#include <unistd.h> unsigned int sleep(unsigned int seconds);
usleep()：微秒级休眠（非标准，已废弃），推荐使用nanosleep()。
定时器函数
setitimer()：设置进程定时器，支持三种类型：ITIMER_REAL：实时定时器，触发SIGALRM信号；ITIMER_VIRTUAL：用户态定时器，触发SIGVTALRM信号；ITIMER_PROF：用户态+内核态定时器，触发SIGPROF信号（包括系统调用时间）。#include <sys/time.h> int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
timer_create()/timer_settime()：POSIX定时器接口，支持线程级定时器，可指定回调函数或信号，功能更灵活，适用于复杂定时场景。
计时函数的选择与注意事项
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精度需求：
- 纳秒级精度：优先选择
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)； - 微秒级精度：
gettimeofday()或clock_gettime()； - 秒级精度：
time()或sleep()。
- 纳秒级精度：优先选择
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单调性要求：
测量耗时时应避免使用CLOCK_REALTIME，因其受系统时间同步（如NTP）影响，可能导致时间回退。CLOCK_MONOTONIC是更安全的选择。
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跨平台兼容性：
clock_gettime()是POSIX标准，现代Linux系统均支持；gettimeofday()在旧系统中更通用，但精度较低；Windows平台需使用QueryPerformanceCounter等替代接口。 -
信号中断处理：
nanosleep()和setitimer()可能被信号中断，需检查返回值并处理剩余时间或重试逻辑。 -
性能开销：
clock_gettime()和times()开销较低，适合频繁调用；getrusage()涉及内核态切换，开销较大，不宜用于高频统计。
Linux计时函数提供了从秒级到纳秒级的多维度时间管理能力,开发者需根据场景需求选择合适的接口，高精度耗时测量推荐clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)，CPU时间统计可采用getrusage()或times()，休眠场景优先nanosleep()，需注意时钟单调性、信号中断及跨平台兼容性问题，以确保计时逻辑的准确性与稳定性，正确使用计时函数，不仅能提升系统性能分析的可靠性，还能为任务调度、资源控制等核心功能提供精准的时间基准。
