第 10 章 时间 (Time)
核心结论
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两种时间：Real time（日历时间或流逝时间）vs Process time（CPU 时间）；分别由
time/gettimeofday和times/clock_gettime提供。 -
time_t 与 Epoch：日历时间用
time_t表示秒数（自 1970-01-01 00:00:00 UTC）；32 位系统 2038 年溢出；64 位无此问题。 -
gettimeofday：返回
timeval结构（秒 + 微秒）；tz 参数已废弃；x86 现代系统微秒精度。 -
time 转换函数：
gmtime（UTC）、localtime（本地时区）、mktime（本地→time_t）、ctime（time_t→字符串）、strftime（自定义格式化）、strptime（解析）；_r后缀版本可重入。 -
Timezone 与 DST：
TZ环境变量控制时区；DST 通过tm_isdst字段控制；localtime_r与mktime都会考虑。 -
进程时间：
times()返回进程及子进程 CPU 时间（clock_t，需除以_SC_CLK_TCK）；clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID)高精度。 -
settimeofday/stime：设置系统时间（需要 root）；NTP 守护进程用。
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本章主旨
本章介绍 Linux 系统编程的两类时间：real time（日历时间）和 process time（CPU 时间）。重点是日历时间的各种表示（ |
一、核心概念
本章围绕 6 个核心概念展开：从「时间表示」到「转换函数」再到「时区与进程时间」。
| 概念 | 定义 + 重要性 | 实现提示 |
|---|---|---|
time_t 与日历时间 |
整数类型；自 1970-01-01 UTC 起的秒数；32 位系统 2038 年溢出；用 |
§10.1；32 位最大日期 2038-01-19 03:14:07 UTC。 |
timeval 与高精度时间 |
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§10.1；x86 现代系统精度 ±1 微秒；旧硬件可能毫秒级。 |
时间转换函数 |
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§10.2； |
时区与 DST |
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§10.3； |
Locale |
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§10.4；不同 locale 下月份名称、星期名称不同。 |
进程时间 |
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§10.6；性能分析基础。 |
二、详细笔记
10.1 日历时间：time_t 与 gettimeofday
What：日历时间用 time_t 表示秒数（自 1970-01-01 00:00:00 UTC）；gettimeofday() 返回微秒精度。
Why：理解 time_t 是理解所有时间 API 的基础；2038 年问题在 32 位系统上需要关注。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
time_t time(time_t *timep);
// 返回自 Epoch 起的秒数；同时存入 *timep（如果非 NULL）
// 失败返回 (time_t) -1
int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
// 返回微秒精度时间
// tz 已废弃，应传 NULL
// 成功返回 0
struct timeval {
time_t tv_sec; // 秒
suseconds_t tv_usec; // 微秒
};Epoch 起点：1970-01-01 00:00:00 UTC（UNIX 诞生之时）；UTC 之前是 GMT（Greenwich Mean Time）。
time_t 范围：
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32 位有符号：1901-12-13 至 2038-01-19。
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64 位有符号：约 ±292 亿年。
When：
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需要时间戳——
time(NULL)。 -
需要高精度时间——
gettimeofday(&tv, NULL)。 -
32 位系统处理 2038 年之后的时间——升级到 64 位或用
int64_t自定义时间表示。
Example：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
time_t t = time(NULL);
printf("Seconds since Epoch: %ld\n", (long) t);
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
printf("%ld.%06ld seconds\n", (long) tv.tv_sec, (long) tv.tv_usec);10.2 时间转换函数
What：gmtime/localtime 把 time_t 转为 struct tm；mktime 反向；ctime/asctime 转为字符串；strftime 自定义格式；strptime 解析。
Why：程序通常要把 time_t 转为人可读格式（日志、时间戳）；时区转换也要靠这些函数。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
#include <time.h>
struct tm *gmtime(const time_t *timep);
// 转为 UTC；返回静态分配结构（不可重入）
struct tm *localtime(const time_t *timep);
// 转为本地时间（考虑 TZ 和 DST）；返回静态分配结构
time_t mktime(struct tm *timeptr);
// 把本地时间的 struct tm 转为 time_t
// 会规范化字段（如 sec=70 → min+1, sec=10）
// 设置 tm_wday、tm_yday
char *ctime(const time_t *timep);
// 直接 time_t → 字符串（"Wed Jun 8 14:22:34 2011\n"）
char *asctime(const struct tm *timeptr);
// struct tm → 字符串（同 ctime 格式）
size_t strftime(char *out, size_t maxsize, const char *format, const struct tm *t);
// 自定义格式化；类似 printf 但用于时间
// %Y 年 %m 月 %d 日 %H 时 %M 分 %S 秒 %Z 时区名
char *strptime(const char *str, const char *format, struct tm *t);
// 解析字符串到 struct tm（strftime 的反向）可重入版本：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
struct tm *gmtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);
struct tm *localtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);
char *ctime_r(const time_t *timep, char *buf); // buf 至少 26 字节
char *asctime_r(const struct tm *timeptr, char *buf);struct tm 字段：
struct tm {
int tm_sec; // 秒 (0-60, 60 闰秒)
int tm_min; // 分 (0-59)
int tm_hour; // 时 (0-23)
int tm_mday; // 日 (1-31)
int tm_mon; // 月 (0-11)
int tm_year; // 年（自 1900 起）
int tm_wday; // 周几 (0-6, Sunday=0)
int tm_yday; // 年内第几天 (0-365)
int tm_isdst; // DST 标志：>0 DST 生效，=0 不生效，<0 未知
};When：
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显示当前时间——
time+localtime+strftime。 -
计算时间差——
mktime把两个时间点转为 time_t 后相减。 -
日志时间戳——
ctime或自定义strftime。 -
多线程——用
_r版本。
Example：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章 time/calendar_time.c
time_t t = time(NULL);
struct tm tm;
localtime_r(&t, &tm);
char buf[100];
strftime(buf, sizeof(buf), "%Y-%m-%d %H:%M:%S %Z", &tm);
printf("Current: %s\n", buf);10.3 时区与 DST
What：TZ 环境变量控制时区；DST（夏令时）通过 tm_isdst 字段控制；tzset() 从 TZ 读取配置。
Why：跨时区程序（服务器、客户端）需要正确处理时区；DST 处理错误会导致「一年一度的 bug」。
How：
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TZ 环境变量：
-
TZ=America/New_York→ 用 tzdata 数据库。 -
TZ=EST5EDT,M3.2.0,M11.1.0→ POSIX 格式：标准名、UTC offset、DST 名、DST 开始/结束规则。 -
未设置 → 用
/etc/localtime。 -
tzset()：读取 TZ 并初始化全局变量
tzname[0]、tzname[1]、timezone（UTC 偏移秒数）、daylight。 -
tm_isdst：
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mktime 输入 > 0 → 强制当作 DST。
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mktime 输入 = 0 → 强制当作标准时间。
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mktime 输入 < 0 → 自动判断（推荐）。
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mktime 输出 > 0 → DST 在该日期生效；= 0 → 不生效。
When：
-
服务器程序需要 UTC——用
gmtime而不是localtime。 -
显示本地时间给用户——用
localtime+ 用户 TZ。 -
DST 边界附近的逻辑——小心测试。
Example：
# 设置时区
$ TZ=America/New_York date
Wed Jun 8 09:40:07 EDT 2011
$ TZ=UTC date
Wed Jun 8 13:40:07 UTC 2011
$ TZ=Asia/Shanghai date
Wed Jun 8 21:40:07 CST 201110.4 Locale
What：Locale 影响 strftime 输出（月份名、星期名、AM/PM）；LC_TIME 控制时间格式；LC_ALL 控制所有类别。
Why：国际化程序需要根据用户 locale 显示时间；否则中文用户看到英文月份名会困惑。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
#include <locale.h>
char *setlocale(int category, const char *locale);
// category: LC_ALL / LC_TIME / LC_NUMERIC / ...
// locale: ""（用环境变量）、"C"、"en_US.UTF-8"、"zh_CN.UTF-8"
// 返回新 locale 名称
struct lconv *localeconv(void);
// 返回数字/货币格式信息strftime 在不同 locale 下输出不同：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
setlocale(LC_TIME, ""); // 用环境变量 LANG
struct tm tm = { ... };
strftime(buf, sizeof(buf), "%c", &tm); // %c = 本地化的日期时间
// C locale: "Wed Jun 8 14:22:34 2011"
// zh_CN.UTF-8: "2011年06月08日 14时22分34秒"When：
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国际化程序——
setlocale(LC_ALL, "")然后用%c或%x %X。 -
服务器程序——保持
"C"locale（避免不同 locale 下日志格式不同）。 -
解析用户输入——
strptime也受 locale 影响。
Example：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
setlocale(LC_TIME, "zh_CN.UTF-8"); // 设置中文 locale
time_t t = time(NULL);
struct tm tm;
localtime_r(&t, &tm);
char buf[100];
strftime(buf, sizeof(buf), "%c", &tm);
// 输出中文格式日期10.5 进程时间
What：进程时间 = 进程使用的 CPU 时间；分 user time（用户态）和 system time（内核态）；times() 返回，clock_gettime 高精度。
Why：性能分析、限流、计费系统需要知道「进程实际消耗多少 CPU 时间」（与 wall-clock 不同）。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
#include <sys/times.h>
#include <time.h>
clock_t times(struct tms *buf);
// 返回自系统启动起的时钟滴答数（需除以 _SC_CLK_TCK）
// 同时填充 struct tms
struct tms {
clock_t tms_utime; // 用户态 CPU 时间
clock_t tms_stime; // 内核态 CPU 时间
clock_t tms_cutime; // 已终止子进程的用户态总和
clock_t tms_cstime; // 已终止子进程的内核态总和
};
int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);
// 高精度时间（纳秒）；clk_id:
// CLOCK_REALTIME: 真实时间
// CLOCK_MONOTONIC: 单调递增时间（不受 NTP 调整影响）
// CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID: 调用进程 CPU 时间
// CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID: 调用线程 CPU 时间
// CLOCK_MONOTONIC_RAW: 类似 MONOTONIC 但不受 NTP 调整
struct timespec {
time_t tv_sec;
long tv_nsec; // 纳秒（0-999999999）
};When：
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性能分析——
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)测量 wall-clock；CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID测量 CPU 时间。 -
限流——比较进程 CPU 时间是否超过阈值。
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计时器——
CLOCK_MONOTONIC不会因 NTP 而倒退，适合用作定时器基准。
Example：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
struct timespec start, end;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);
do_work();
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);
double elapsed = (end.tv_sec - start.tv_sec) +
(end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1e9;
printf("Elapsed: %.3f seconds\n", elapsed);10.6 设置系统时间
What：settimeofday() 和 stime() 设置系统时间；需要 root 权限；NTP 守护进程用。
Why：容器化环境、虚拟化平台、嵌入式设备常需要程序化设置时间。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》第 10 章
#include <sys/time.h>
int settimeofday(const struct timeval *tv, const struct timezone *tz);
// 设置系统时间；需要 CAP_SYS_TIME
// tz 已废弃，传 NULL
// 成功返回 0警告：
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突然改变系统时间可能破坏 make(1)、日志轮转、定时任务。
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现代系统用
timedatectl（systemd）或ntpdate/chrony同步时间。
When：
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嵌入式设备无 RTC——启动后从外部源设置时间。
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测试环境——模拟特定时间。
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NTP 同步——
chrony/ntpd守护进程调用。
三、关键图表
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非可视化条目（关键 API 速查）
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四、思维导图
mindmap
root((第 10 章 时间))
日历时间
time_t
Epoch 1970
32 位 2038 问题
gettimeofday 微秒
时间转换
gmtime UTC
localtime 本地
mktime 反向
ctime asctime
strftime strptime
_r 可重入
时区 DST
TZ 环境变量
tzset
tm_isdst
localtime mktime
Locale
setlocale
LC_TIME
strftime 本地化
C locale zh_CN
进程时间
times tms
utime stime
clock_gettime
CLOCK_MONOTONIC
CLOCK_PROCESS_CPUTIME
设置时间
settimeofday
需要 root
NTP 守护五、重点与易错点
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32 位 time_t 2038 年溢出：64 位系统无此问题；嵌入式 32 位仍需关注。
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time() vs gettimeofday()：前者秒级、后者微秒级；旧系统微秒不准确。
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gmtime/localtime 返回静态结构：多线程必须用
_r版本。 -
ctime 共享缓冲区：与 gmtime、localtime、asctime 共享静态缓冲区；一个调用会覆盖另一个。
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tm_isdst = -1 让 mktime 自动判断：业务代码推荐；显式 0/1 用于「我确定这是 DST/不是 DST」。
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TZ 影响 localtime 和 mktime：服务器保持 UTC（
TZ=UTC）；客户端用本地时区。 -
setlocale 影响 strftime 输出：国际化程序用
%c让 locale 决定格式。 -
CLOCK_REALTIME 会被 NTP 调整：用作时间间隔测量会被突然改变；用 CLOCK_MONOTONIC。
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times() 返回时钟滴答：要除以
sysconf(_SC_CLK_TCK)才能转为秒。 -
settimeofday 需要 CAP_SYS_TIME：非 root 调用失败；普通应用不要用。
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跨章衔接：第 23 章展开定时器（alarm、setitimer、timer_create）；第 35 章展开调度（CPU 时间片分配）。