程序中的時間
程序中對時間的處理是個大問題，我打算單獨寫一篇文章來全面地討論這個問題。文章暫定名《〈程序中的日期與時間〉第二章 計時與定時》，跟《〈程序中的日期與時間〉第一章 日期計算》放到一個系列，這個系列預計會有四篇文章。
在這篇博客裡裡我先簡要談談與編程直接相關的內容，把更深入的內容留給上面提到的日期與時間專題文章。
在一般的服務端程序設計中，與時間有關的常見任務有：
獲取當前時間，計算時間間隔；
時區轉換與日期計算；把紐約當地時間轉換為上海當地時間；2011-02-05 之後第 100 天是幾月幾號星期幾？等等
定時操作，比如在預定的時間執行一項任務，或者在一段延時之後執行一項任務。
其中第 2 項看起來復雜，其實最簡單。日期計算用 Julian Day Number，時區轉換用 tz database；惟一麻煩一點的是夏令時，但也可以用 tz database 解決。這些操作都是純函數，很容易用一套單元測試來驗證代碼的正確性。需要特別注意的是，用 tzset/localtime_r 來做時區轉換在多線程環境下可能會有問題；對此我的解決辦法是寫一個 TimeZone class，以避免影響全局，將來在日期與時間專題中會講到。以下本文不考慮時區，均為 UTC 時間。
真正麻煩的是第 1 項和第 3 項。一方面，Linux 有一大把令人眼花缭亂的與時間相關的函數和結構體，在程序中該如何選用？另一方面，計算機中的時鐘不是理想的計時器，它可能會漂移或跳變；最後，民用的 UTC 時間與閏秒的關系也讓定時任務變得復雜和微妙。當然，與系統當前時間有關的操作也讓單元測試變得困難。
Linux 時間函數
Linux 的計時函數，用於獲得當前時間：
time(2) / time_t （秒）
ftime(3) / struct timeb （毫秒）
gettimeofday(2) / struct timeval （微秒）
clock_gettime(2) / struct timespec （納秒）
gmtime / localtime / timegm / mktime / strftime / struct tm （這些與當前時間無關）
定時函數，用於讓程序等待一段時間或安排計劃任務：
sleep
alarm
usleep
nanosleep
clock_nanosleep
getitimer / setitimer
timer_create / timer_settime / timer_gettime / timer_delete
timerfd_create / timerfd_gettime / timerfd_settime
我的取捨如下：
（計時）只使用 gettimeofday 來獲取當前時間。
（定時）只使用 timerfd_* 系列函數來處理定時。
gettimeofday 入選原因：（這也是 muduo::Timestamp class 的主要設計考慮）
time 的精度太低，ftime 已被廢棄，clock_gettime 精度最高，但是它系統調用的開銷比 gettimeofday 大。
在 x86-64 平台上，gettimeofday 不是系統調用，而是在用戶態實現的（搜 vsyscall），沒有上下文切換和陷入內核的開銷。
gettimeofday 的分辨率 (resolution) 是 1 微秒，足以滿足日常計時的需要。muduo::Timestamp 用一個 int64_t 來表示從 Epoch 到現在的微秒數，其范圍可達上下 30 萬年。
timerfd_* 入選的原因：
sleep / alarm / usleep 在實現時有可能用了信號 SIGALRM，在多線程程序中處理信號是個相當麻煩的事情，應當盡量避免。（近期我會寫一篇博客仔細講講“多線程、RAII、fork() 與信號”）
nanosleep 和 clock_nanosleep 是線程安全的，但是在非阻塞網絡編程中，絕對不能用讓線程掛起的方式來等待一段時間，程序會失去響應。正確的做法是注冊一個時間回調函數。
getitimer 和 timer_create 也是用信號來 deliver 超時，在多線程程序中也會有麻煩。timer_create 可以指定信號的接收方是進程還是線程，算是一個進步，不過在信號處理函數(signal handler)能做的事情實在很受限。
timerfd_create 把時間變成了一個文件描述符，該“文件”在定時器超時的那一刻變得可讀，這樣就能很方便地融入到 select/poll 框架中，用統一的方式來處理 IO 事件和超時事件，這也正是 Reactor 模式的長處。我在一年前發表的《Linux 新增系統調用的啟示》中也談到這個想法，現在我把這個想法在 muduo 網絡庫中實現了。
傳統的 Reactor 利用 select/poll/epoll 的 timeout 來實現定時功能，但 poll 和 epoll 的定時精度只有毫秒，遠低於 timerfd_settime 的定時精度。
必須要說明，在 Linux 這種非實時多任務操作系統中，在用戶態實現完全精確可控的計時和定時是做不到的，因為當前任務可能會被隨時切換出去，這在 CPU 負載大的時候尤為明顯。但是，我們的程序可以盡量提高時間精度，必要的時候通過控制 CPU 負載來提高時間操作的可靠性，在程序在 99.99% 的時候都是按預期執行的。這或許比換用實時操作系統並重新編寫並測試代碼要經濟一些。
關於時間的精度(accuracy)問題我留到專題博客文章中討論，它與分辨率(resolution)不完全是一回事兒。時間跳變和閏秒的影響與應對也不在此處展開討論了。
Muduo 的定時器接口
Muduo EventLoop 有三個定時器函數：
1: typedef boost::function<void()> TimerCallback; 2: 3: /// 4: /// Reactor, at most one per thread. 5: /// 6: /// This is an interface class, so dont expose too much details. 7: class EventLoop : boost::noncopyable 8: { 9: public: 10: // ... 11: 12: // timers 13: 14: /// 15: TimerId runAt(const Timestamp& time, const TimerCallback& cb); 16: 17: /// 18: /// Runs callback after @c delay seconds. 19: /// Safe to call from other threads. 20: TimerId runAfter(double delay, const TimerCallback& cb); 21: 22: /// 23: /// Runs callback every @c interval seconds. 24: /// Safe to call from other threads. 25: TimerId runEvery(double interval, const TimerCallback& cb); 26: 27: /// Cancels the timer. 28: /// Safe to call from other threads. 29: // void cancel(TimerId timerId); 30: 31: // ... 32: };
runAt 在指定的時間調用 TimerCallback
runAfter 等一段時間調用 TimerCallback
runEvery 以固定的間隔反復調用 TimerCallback
cancel 取消 timer，目前未實現
回調函數在 EventLoop 對象所在的線程發生，與 onMessage() onConnection() 等網絡事件函數在同一個線程。
Muduo 的 TimerQueue 采用了最簡單的實現（鏈表）來管理定時器，它的效率比不上常見的 binary heap 的做法，如果程序中大量（10 個以上）使用重復觸發的定時器，或許值得考慮改用更高級的實現。我目前還沒有在一個程序裡用過這麼多定時器，暫時也不打算優化 TimerQueue。
Boost.Asio Timer 示例
Boost.Asio 教程裡以 Timer 和 Daytime 為例介紹 asio 的基本使用，daytime 已經在前文“示例一”中介紹過，這裡著重談談 Timer。Asio 有 5 個 Timer 示例，muduo 把其中四個重新實現了一遍，並擴充了第 5 個示例。
阻塞式的定時，muduo 不支持這種用法，無代碼。
非阻塞定時，見 examples/asio/tutorial/timer2
在 TimerCallback 裡傳遞參數，見 examples/asio/tutorial/timer3
以成員函數為 TimerCallback，見 examples/asio/tutorial/timer4
在多線程中回調，用 mutex 保護共享變量，見 examples/asio/tutorial/timer5
在多線程中回調，縮小臨界區，把不需要互斥執行的代碼移出來，見 examples/asio/tutorial/timer6
為節省篇幅，這裡只列出 timer4：
1: #include 2: 3: #include 4: #include 5: #include 6: 7: class Printer : boost::noncopyable 8: { 9: public: 10: Printer(muduo::net::EventLoop* loop) 11: : loop_(loop), 12: count_(0) 13: { 14: loop_->runAfter(1, boost::bind(&Printer::print, this)); 15: } 16: 17: ~Printer() 18: { 19: std::cout << "Final count is " << count_ << " "; 20: } 21: 22: void print() 23: { 24: if (count_ < 5) 25: { 26: std::cout << count_ << " "; 27: ++count_; 28: 29: loop_->runAfter(1, boost::bind(&Printer::print, this)); 30: } 31: else 32: { 33: &n
