gettimeofday实现原理，该接口是如何和HPET配合实现微秒精度时间的获取的？
好的，咱们来聊聊 `gettimeofday` 这个系统调用，以及它背后是如何跟硬件配合，实现我们日常看到的微秒级时间精度的。
`gettimeofday` 是什么？
首先，`gettimeofday` 函数是 POSIX 标准定义的一个系统调用，它的主要作用是获取当前的时间，并且是以“秒”和“微秒”为单位的。它的原型是这样的：
```c
include
int gettimeofday(struct timeval tv, struct timezone tz);
```
`struct timeval tv`: 这是一个指向 `timeval` 结构体的指针，这个结构体里包含了我们关心的秒数 (`tv_sec`) 和微秒数 (`tv_usec`)。
`struct timezone tz`: 这个参数在现代系统中已经弃用了，早期版本用来指定时区信息，但现在通常传递 `NULL`。
所以，当我们调用 `gettimeofday(&now, NULL)` 时，操作系统会把当前的时间戳，精确到微秒，填充到 `now` 这个 `timeval` 结构体里。
时间从哪儿来？硬件是基础！
一个操作系统本身是不会“知道”时间的。时间的概念，最终还是要依赖于硬件。最核心的那个硬件，就是 计时器 (Timer)。
在现代计算机系统中，最普遍、最精确的计时器就是 HPET (High Precision Event Timer)。HPET 并不是唯一的计时器，早期的 PC 可能会用到 PIT (Programmable Interval Timer)，或者其他一些更底层的定时器。但是，HPET 是目前主流的 PC 和服务器上用于高精度计时的标准。
HPET 是怎么工作的？
你可以把 HPET 理解成一个非常精确的时钟振子，它以一个非常高的频率在嘀嗒嘀嗒地计数。这个频率是由硬件决定的，通常是几百兆赫兹甚至几吉赫兹。
HPET 拥有多个硬件定时器通道。每个通道都可以配置一个初始计数值，然后 HPET 就开始递减计数。当计数减到零时，它就会产生一个硬件中断 (Interrupt)。
操作系统就可以利用这些中断来“更新”它对时间的认知。每当 HPET 的一个通道因为计数归零而产生中断时，CPU 就会暂停当前正在执行的任务，跳转到预先设定好的中断处理程序去执行。
操作系统如何利用 HPET？
这里的关键在于操作系统内核中有一个叫做时钟中断处理程序 (Clock Interrupt Handler) 或者 定时器中断处理程序 (Timer Interrupt Handler) 的模块。
1. 配置 HPET: 在系统启动的早期阶段，BIOS 或 UEFI 会将 HPET 的一些基本配置信息传递给操作系统。操作系统内核会读取这些信息，了解 HPET 的时钟频率，以及哪些硬件通道是可用的。
2. 选择一个通道: 内核会选择一个 HPET 的硬件通道，并设置一个周期性中断。比如，它可能会配置一个通道，让它每隔一定数量的 HPET 时钟周期就产生一次中断。这个周期性中断的频率，就决定了操作系统“醒来”来更新时间的频率，通常被称为 时钟节拍 (Clock Tick) 或 系统时钟频率 (System Clock Frequency)。
3. 中断来了，更新时间: 当 HPET 的通道计数归零，产生中断时，CPU 会执行内核中的时钟中断处理程序。
这个处理程序的首要任务是重置 HPET 通道，让它重新开始计数，这样下一次中断会在预定的时间到来。
然后，它会增加一个内部的软件计时器变量。这个变量就代表了系统启动以来经过的“滴答”次数。
同时，它还会做一些其他与时间相关的维护工作，比如调度任务、更新进程的执行时间等。
`gettimeofday` 和 HPET 的配合
现在，当用户空间的程序调用 `gettimeofday` 时，操作系统内核会怎么做呢？
1. 读取内部计时器: `gettimeofday` 的最终目的是要告诉我们“现在是几点几分几秒”。内核维护着一个内部的全局时间变量，这个变量就是通过前面提到的时钟中断处理程序不断累加得到的。这个变量代表了系统启动以来总共经过了多少个“滴答”。
2. 转换为秒和微秒:
秒数: 内核会拿着这个“滴答”总数，除以系统时钟频率（也就是 HPET 中断产生的频率），就能得到自系统启动以来的总秒数。
微秒数: 问题来了，HPET 的时钟频率很高，可能远超 1MHz（1微秒）。而且，系统时钟频率通常不是正好每秒钟产生一次中断，而是每秒钟产生几十次、几百次，甚至更多次（这取决于系统配置）。
为了达到微秒精度，内核在执行时钟中断时，除了累加“滴答”数，还会精确地测量从上一个中断发生到当前中断发生所经过的 HPET 硬件时钟周期数。
HPET 通常会提供一个读取硬件计数器当前值的功能。在中断发生时，内核会读取这个硬件计数器的当前值。然后，通过 HPET 的时钟频率，将这个硬件计数器的值转换成小于一个滴答周期的额外时间，也就是不足一秒的那个部分。
举个例子：假设 HPET 的时钟频率是 1GHz (10^9 Hz)。如果系统时钟频率是 100Hz（每秒 100 次中断），这意味着两次中断之间相隔了 1/100 秒 = 10 毫秒。但是，HPET 内部的计数器会每纳秒（10^9 秒）就计数一次。当发生中断时，内核读取的 HPET 计数器值，加上上一次中断发生时的 HPET 计数器值，就可以精确地计算出两次中断之间经过了多少个 HPET 周期，再乘以 HPET 的一个周期的时长（1/10^9 秒），就能得到这个“不完整的秒”部分，精确到纳秒级别。
内核会将这个精确计算出来的纳秒级时间，通过一些数学运算，加上到由“滴答”数转换成的秒数后面的微秒部分。
总结一下 `gettimeofday` 和 HPET 的配合流程:
1. 硬件基础: HPET 提供了一个高频率的硬件时钟源，并能周期性地触发硬件中断。
2. 内核驱动: 操作系统内核通过一个时钟中断处理程序，响应 HPET 的中断。
3. 滴答计数: 中断处理程序负责更新内核内部的软件“滴答”计数器，并记录自系统启动以来的总滴答数。
4. 精确测量: 更重要的是，每次中断发生时，内核会利用 HPET 的硬件计数器，精确测量两次中断之间经过的 HPET 时钟周期。
5. 时间转换:
总秒数 = （总滴答数 / 系统时钟频率）
不足一秒的部分（微秒） = （精确测量的 HPET 周期数 HPET 单个周期时长）转换成微秒。
6. `gettimeofday` 调用: 当 `gettimeofday` 被调用时，内核读取总滴答数和精确测量到的当前不足一秒的时间（通常是存在一个累加的微秒变量中），然后将它们组合起来，填充到 `timeval` 结构体中，返回给用户程序。
为什么是微秒精度？
HPET 的硬件精度: HPET 的时钟频率很高，远超过了微秒（10^6 秒），通常在兆赫兹甚至吉赫兹级别。这意味着它本身就能提供非常高的精度。
内核的测量能力: 内核能够精确地读取 HPET 硬件计数器的当前值，并根据 HPET 的时钟频率进行计算，从而得到小于一个系统时钟节拍（如 10ms 或 1ms）的时间差，并将其转换为微秒。
`timeval` 的格式: `struct timeval` 的设计就是以秒和微秒为单位的，所以内核最终的输出就是以这两个单位来表示。虽然 HPET 可能能提供纳秒甚至更低的精度，但 `gettimeofday` 的接口限制了输出到微秒级别。
需要注意的是，实际的精度还会受到其他因素的影响，比如中断延迟（虽然 HPET 的中断延迟很低）、内核调度延迟、CPU 自身的缓存效应等等。但总的来说，HPET 和操作系统内核配合，是实现 `gettimeofday` 微秒级时间精度的关键所在。
这就是 `gettimeofday` 与 HPET 协同工作的基本原理。它是一个软硬件紧密结合的经典案例，展示了操作系统如何利用底层硬件能力来为用户提供精确的服务。
`gettimeofday` 是什么？
首先，`gettimeofday` 函数是 POSIX 标准定义的一个系统调用，它的主要作用是获取当前的时间，并且是以“秒”和“微秒”为单位的。它的原型是这样的：
```c
include
int gettimeofday(struct timeval tv, struct timezone tz);
```
`struct timeval tv`: 这是一个指向 `timeval` 结构体的指针，这个结构体里包含了我们关心的秒数 (`tv_sec`) 和微秒数 (`tv_usec`)。
`struct timezone tz`: 这个参数在现代系统中已经弃用了，早期版本用来指定时区信息，但现在通常传递 `NULL`。
所以，当我们调用 `gettimeofday(&now, NULL)` 时，操作系统会把当前的时间戳，精确到微秒，填充到 `now` 这个 `timeval` 结构体里。
时间从哪儿来？硬件是基础！
一个操作系统本身是不会“知道”时间的。时间的概念，最终还是要依赖于硬件。最核心的那个硬件，就是 计时器 (Timer)。
在现代计算机系统中，最普遍、最精确的计时器就是 HPET (High Precision Event Timer)。HPET 并不是唯一的计时器，早期的 PC 可能会用到 PIT (Programmable Interval Timer)，或者其他一些更底层的定时器。但是，HPET 是目前主流的 PC 和服务器上用于高精度计时的标准。
HPET 是怎么工作的？
你可以把 HPET 理解成一个非常精确的时钟振子，它以一个非常高的频率在嘀嗒嘀嗒地计数。这个频率是由硬件决定的，通常是几百兆赫兹甚至几吉赫兹。
HPET 拥有多个硬件定时器通道。每个通道都可以配置一个初始计数值，然后 HPET 就开始递减计数。当计数减到零时，它就会产生一个硬件中断 (Interrupt)。
操作系统就可以利用这些中断来“更新”它对时间的认知。每当 HPET 的一个通道因为计数归零而产生中断时，CPU 就会暂停当前正在执行的任务，跳转到预先设定好的中断处理程序去执行。
操作系统如何利用 HPET？
这里的关键在于操作系统内核中有一个叫做时钟中断处理程序 (Clock Interrupt Handler) 或者 定时器中断处理程序 (Timer Interrupt Handler) 的模块。
1. 配置 HPET: 在系统启动的早期阶段，BIOS 或 UEFI 会将 HPET 的一些基本配置信息传递给操作系统。操作系统内核会读取这些信息，了解 HPET 的时钟频率，以及哪些硬件通道是可用的。
2. 选择一个通道: 内核会选择一个 HPET 的硬件通道，并设置一个周期性中断。比如，它可能会配置一个通道，让它每隔一定数量的 HPET 时钟周期就产生一次中断。这个周期性中断的频率，就决定了操作系统“醒来”来更新时间的频率，通常被称为 时钟节拍 (Clock Tick) 或 系统时钟频率 (System Clock Frequency)。
3. 中断来了，更新时间: 当 HPET 的通道计数归零，产生中断时，CPU 会执行内核中的时钟中断处理程序。
这个处理程序的首要任务是重置 HPET 通道，让它重新开始计数，这样下一次中断会在预定的时间到来。
然后，它会增加一个内部的软件计时器变量。这个变量就代表了系统启动以来经过的“滴答”次数。
同时，它还会做一些其他与时间相关的维护工作，比如调度任务、更新进程的执行时间等。
`gettimeofday` 和 HPET 的配合
现在，当用户空间的程序调用 `gettimeofday` 时，操作系统内核会怎么做呢？
1. 读取内部计时器: `gettimeofday` 的最终目的是要告诉我们“现在是几点几分几秒”。内核维护着一个内部的全局时间变量，这个变量就是通过前面提到的时钟中断处理程序不断累加得到的。这个变量代表了系统启动以来总共经过了多少个“滴答”。
2. 转换为秒和微秒:
秒数: 内核会拿着这个“滴答”总数，除以系统时钟频率（也就是 HPET 中断产生的频率），就能得到自系统启动以来的总秒数。
微秒数: 问题来了，HPET 的时钟频率很高，可能远超 1MHz（1微秒）。而且，系统时钟频率通常不是正好每秒钟产生一次中断，而是每秒钟产生几十次、几百次，甚至更多次（这取决于系统配置）。
为了达到微秒精度，内核在执行时钟中断时，除了累加“滴答”数，还会精确地测量从上一个中断发生到当前中断发生所经过的 HPET 硬件时钟周期数。
HPET 通常会提供一个读取硬件计数器当前值的功能。在中断发生时，内核会读取这个硬件计数器的当前值。然后，通过 HPET 的时钟频率，将这个硬件计数器的值转换成小于一个滴答周期的额外时间，也就是不足一秒的那个部分。
举个例子：假设 HPET 的时钟频率是 1GHz (10^9 Hz)。如果系统时钟频率是 100Hz（每秒 100 次中断），这意味着两次中断之间相隔了 1/100 秒 = 10 毫秒。但是，HPET 内部的计数器会每纳秒（10^9 秒）就计数一次。当发生中断时，内核读取的 HPET 计数器值，加上上一次中断发生时的 HPET 计数器值，就可以精确地计算出两次中断之间经过了多少个 HPET 周期，再乘以 HPET 的一个周期的时长（1/10^9 秒），就能得到这个“不完整的秒”部分，精确到纳秒级别。
内核会将这个精确计算出来的纳秒级时间，通过一些数学运算，加上到由“滴答”数转换成的秒数后面的微秒部分。
总结一下 `gettimeofday` 和 HPET 的配合流程:
1. 硬件基础: HPET 提供了一个高频率的硬件时钟源，并能周期性地触发硬件中断。
2. 内核驱动: 操作系统内核通过一个时钟中断处理程序，响应 HPET 的中断。
3. 滴答计数: 中断处理程序负责更新内核内部的软件“滴答”计数器，并记录自系统启动以来的总滴答数。
4. 精确测量: 更重要的是，每次中断发生时，内核会利用 HPET 的硬件计数器，精确测量两次中断之间经过的 HPET 时钟周期。
5. 时间转换:
总秒数 = （总滴答数 / 系统时钟频率）
不足一秒的部分（微秒） = （精确测量的 HPET 周期数 HPET 单个周期时长）转换成微秒。
6. `gettimeofday` 调用: 当 `gettimeofday` 被调用时，内核读取总滴答数和精确测量到的当前不足一秒的时间（通常是存在一个累加的微秒变量中），然后将它们组合起来，填充到 `timeval` 结构体中，返回给用户程序。
为什么是微秒精度？
HPET 的硬件精度: HPET 的时钟频率很高，远超过了微秒（10^6 秒），通常在兆赫兹甚至吉赫兹级别。这意味着它本身就能提供非常高的精度。
内核的测量能力: 内核能够精确地读取 HPET 硬件计数器的当前值，并根据 HPET 的时钟频率进行计算，从而得到小于一个系统时钟节拍（如 10ms 或 1ms）的时间差，并将其转换为微秒。
`timeval` 的格式: `struct timeval` 的设计就是以秒和微秒为单位的，所以内核最终的输出就是以这两个单位来表示。虽然 HPET 可能能提供纳秒甚至更低的精度，但 `gettimeofday` 的接口限制了输出到微秒级别。
需要注意的是，实际的精度还会受到其他因素的影响，比如中断延迟（虽然 HPET 的中断延迟很低）、内核调度延迟、CPU 自身的缓存效应等等。但总的来说，HPET 和操作系统内核配合，是实现 `gettimeofday` 微秒级时间精度的关键所在。
这就是 `gettimeofday` 与 HPET 协同工作的基本原理。它是一个软硬件紧密结合的经典案例，展示了操作系统如何利用底层硬件能力来为用户提供精确的服务。
网友意见
硬件可以有多个时钟源，时钟源可以通过外部中断触发。
时钟源可以设置定时触发，定时的时间是可编程的，其精度依赖于时钟源本身。调度器可以绑定到多个不同的时钟源上，达到微秒精度定时调度的功能。
但，你问的问题，其实跟调度器、中断都没关系。timestamp和clock在OS层面上不一定是同一个概念（可以是，也可以不是）。
gettimeofday走的是timestamp，不是clock，只需要在调用的时候查一下时钟源的timestamp就可以了，这个时钟源自己可能不会周期性的发出时钟中断，只是自己在那更新自己的timestamp就可以。
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