探讨linux进程的三种时间（real time， system cpu time， user cpu time）的实现

APUE 3.9节中关于系统调用read给出了不同大小的缓冲区会导致读取效率的差异。这里stevens用三种时间表示读取文件过程所花费的时间。这三种时间分别为真实/时钟时间（real / clock time），系统cpu时间（system cpu time），用户cpu时间（user cpu time ）。其意义如下：

真实时间：进程从开始执行到最后结束的时间，包括阻塞+就绪（排队等待）+运行的时间。也即我们能够真实感受到的时间。

系统cpu时间：进程运行时，在系统区执行的时间，如（write，read等系统调用），运行的地方位于系统内存中。

用户cpu时间：进程运行时，在用户区执行的时间。这里主要是我们自己编写的代码，运行在用户内存中。

程序从用户态到系统态需要消耗一定的时间，频繁的切换会导致系统运行的效率低下。但缓冲区又不宜太大，会浪费用户内存。所以合适的缓冲区大小很有必要。那我们如何确定一个最佳的缓冲区呢？stevens就用上面的三种时间去测试系统效率。他选用的bufsize从1,2,4,8 ... 524888 这20个值进行测试，最后得出最佳大小。那我们如何获得这些时间呢？

其实linux提供了很多关于时间的系统调用，如time，gettimeofday，clock，times等等。其中前三个很常用，但无法获得system cpu time 和 user cpu time。所以这里主要介绍times函数。它的函数原型为：

#include<sys/times>
clock_t times(struct  tms * buf);
struct tms  的成员结构如下：
struct tms {
clock_t tms_utime;   /* user   time */
clock_t tms_stime;   /* system time */
clock_t tms_cutime;  /* user   time of children */
clock_t tms_cstime;  /* system time of children */
};

通过上面的介绍你会发现原来这个函数非常好用，只要在程序的末尾调用一下，就可以知道这个进程的system cpu time 和 user cpu time ，很方便吧，而返回值只要不等于（clock_t) -1，就说明返回成功。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<time.h>
#include<sys/times.h>
#include<sys/time.h>

#define	BUF_SIZE	512
#define	FILE_NAME	"demo.txt"
#define	err_exit(m)	{perror(m); exit(1);}

int	main(){
int	i,fd,clocks_per_sec;	//文件句柄和每秒时钟数
char	buf[BUF_SIZE];		//文件缓冲区大小
struct	tms st_tms;		//times函数的机构
clock_t start = clock();	//记录起始时间，
fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
if(fd == -1) err_exit("open error");
while(read(fd, buf, BUF_SIZE) != 0);
for(i = 0; i < 1000000000; i++);
if (times(&st_tms) == -1) err_exit("times error");
clock_t end = clock();
clocks_per_sec = sysconf(_SC_CLK_TCK);	//用于获得times函数的单位时钟数
printf("real  times: %7dus\n", (end-start)/CLOCKS_PER_SEC*1000000);
printf("user  times: %7dus\n", st_tms.tms_utime*1000000/(clocks_per_sec));
printf("syst  times: %7dus\n", st_tms.tms_stime*1000000/(clocks_per_sec));
return 0;
}

上面的代码需要注意以下两点：

1.为了demo.txt文件足够大，方便看出系统态下的执行时间，可以用下面的语句生成：

dd if=/dev/zero of=demo.txt bs=1M count=512 --可以生成512M的文件，很方便的！

2.times和clock都有clock_t类型的变量，将它们转化为秒要分别除以system(_SC_CLK_TCK)和宏CLOCKS_PER_SEC，它们的值是不同的，具体可以man一下这两个函数。

讲到这里就把struct tms 的最后两个成员变量也讲一下吧，tms_cutime和tms_cstime是用来记录子进程（们）的system cpu time 和 user cpu time。他们的值是在父进程中执行wait 或 waitpid 时开始记录，等到wait返回后才停止记录。看如下代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<time.h>
#include<sys/times.h>
#include<sys/time.h>

#define	BUF_SIZE	512
#define	FILE_NAME	"demo.txt"
#define	err_exit(m)	{perror(m); exit(1);}

int	main(){
int	i,fd,clocks_per_sec;	//文件句柄和每秒时钟数
char	buf[BUF_SIZE];		//文件缓冲区大小
struct	tms st_tms;		//times函数的机构
clock_t start = clock();	//记录起始时间，
fd = open(FILE_NAME, O_RDONLY | O_CREAT, 0664);
if(fd == -1) err_exit("open error");
while(read(fd, buf, BUF_SIZE) != 0);
for(i = 0; i < 1000000000; i++);
/*  产生子进程，并完成与父进程同样的操作，最后查看相应的时间值 */
int	pid;
if((pid = fork()) < 0){
err_exit("fork error");
}else if(pid == 0){
int i = 0;
for( ; i < 1000000000; i++);
lseek(fd, 0, SEEK_SET);	//重置读取位置，由于是复制父进程的，可能已到达文件末尾
while(read(fd, buf, BUF_SIZE) > 0);
exit(0);		//子进程退出
}else{
wait(-1);		//父进程等待子进程
}

if (times(&st_tms) == -1) err_exit("times error");
clock_t end = clock();
clocks_per_sec = sysconf(_SC_CLK_TCK);	//用于获得times函数的单位时钟数
printf("real  times: %7dus\n", (end-start)/CLOCKS_PER_SEC*1000000);
printf("user  times: %7dus\n", st_tms.tms_utime*1000000/(clocks_per_sec));
printf("syst  times: %7dus\n", st_tms.tms_stime*1000000/(clocks_per_sec));
printf("child user times: %7dus\n", st_tms.tms_cutime*1000000/(clocks_per_sec));
printf("child syst times: %7dus\n", st_tms.tms_cstime*1000000/(clocks_per_sec));
return 0;
}

注意：linux中clock函数并不能统计子进程（们）的时间哦，所以最后那个real time 只是父进程的时间，如果要统计可以使用time函数啦，time返回的时间点，所以当然足够精确啦！编译执行，看一下结果是否符合我们的预期值。