macOS 上的 gettimeofday() 是不是使用系统调用？

Posted 2023-02-23

【中文标题】macOS 上的 gettimeofday() 是不是使用系统调用？

【英文标题】：Does gettimeofday() on macOS use a system call?macOS 上的 gettimeofday() 是否使用系统调用？

【发布时间】：2017-04-19 10:52:17

【问题描述】：

我希望gettimeofday() 会调用系统调用来完成实际获取时间的工作。但是，运行以下程序

#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[])

    struct timeval tv;

    printf("Before gettimeofday() %ld!\n", tv.tv_sec);

    int rc = gettimeofday(&tv, NULL);

    printf("After gettimeofday() %ld\n", tv.tv_sec);

    if (rc == -1) 
        printf("Error: gettimeofday() failed\n");
        exit(1);
    

    printf("Exiting ! %ld\n", tv.tv_sec);
    return 0;

dtruss -d 下返回一长串系统调用，最后一个是：

RELATIVE SYSCALL(args)           = return

... lots of syscalls with earlier timestamps ...

    3866 fstat64(0x1, 0x7FFF56ABC8D8, 0x11)      = 0 0
    3868 ioctl(0x1, 0x4004667A, 0x7FFF56ABC91C)      = 0 0
    3882 write_nocancel(0x1, "Before gettimeofday() 0!\n\0", 0x19)       = 25 0
    3886 write_nocancel(0x1, "After gettimeofday() 1480913810\n\0", 0x20)        = 32 0
    3887 write_nocancel(0x1, "Exiting ! 1480913810\n\0", 0x15)       = 21 0

看起来gettimeofday() 没有使用系统调用，但这似乎是错误的——内核肯定负责系统时钟吗？ dtruss 有什么遗漏吗？我是不是读错了输出？

【问题讨论】：

在 Solaris 上，gettimeofday() 只是读取内存位置。 macOS Sierra（或之前的 Mac OS X 版本）很可能发生了类似的事情。您可能有兴趣也可能没有兴趣注意到 macOS Sierra（但不是早期版本）终于支持clock_gettime()。

可以在source code-#116中看到gettimeofday()系统调用

在 Linux 上，gettimeofday() 等系统调用可以实现为“普通函数调用和少量内存访问”：vDSO

【参考方案1】：

作为 TheDarkKnight pointed out，有一个 gettimeofday 系统调用。然而，用户空间gettimeofday 函数经常不调用相应的系统调用，而是__commpage_gettimeofday，它试图从进程地址空间的一个特殊部分读取时间，称为commpage。仅当此调用失败时，gettimeofday 系统调用才会用作后备。这将大多数调用gettimeofday 的成本从普通系统调用降低到仅读取内存。

Mac OSX Internals: A Systems Approach 这本书描述了commpage。简而言之，它是内核内存的一个特殊区域，映射到每个进程地址空间的最后八页。除其他外，它包含“从内核异步更新并从用户空间原子读取，导致偶尔读取失败”的时间值。

为了查看gettimeofday() 系统调用被用户空间函数调用的频率，我编写了一个测试程序，在一个紧密的循环中调用了gettimeofday() 1 亿次：

#include <sys/time.h>
int main(int argc, char const *argv[])

    const int NUM_TRIALS = 100000000;
    struct timeval tv;
    for (int i = 0; i < NUM_TRIALS; i++) 
        gettimeofday(&tv, NULL);
    
    return 0;

在我的机器上在dtruss -d 下运行它表明这触发了对gettimeofday() 系统调用的10-20 次调用（占所有用户空间调用的0.00001%-0.00002%）。

---

对于那些感兴趣的人，source code 中用户空间 gettimeofday() 函数（适用于 macOS 10.11 - El Capitan）的相关行是

if (__commpage_gettimeofday(tp))       /* first try commpage */
    if (__gettimeofday(tp, NULL) < 0)  /* if it fails, use syscall */
        return (-1);
    

函数__commpage_gettimeofdaycombines 从commpage 读取时间戳并读取时间戳计数器寄存器以计算自纪元以来的时间（以秒和微秒为单位）。 （rdstc 指令在 _mach_absolute_time 内部。）

【讨论】：

非常有趣。谢谢。

好答案。您提到：这将大多数 gettimeofday 调用的成本从普通系统调用降低到仅读取内存。这似乎并不完全正确：___commpage_gettimeofday 和 _mach_absolute_time 函数（前者调用后者）每条指令有几十条指令，它们之间可能有 10 次总内存读取，rdtsc 调用本身是两打或更多周期（加上它们有两条 lfence 指令在那里出于某种原因）。因此，您可能正在查看至少 50 个周期。仍然比内核调用好得多！

【参考方案2】：

使用 dtrace 代替 dtruss 将消除您的疑虑。 gettimeofday() 本身就是一个系统调用。如果你运行 dtrace 脚本，你可以看到这个系统调用被调用。

您可以使用以下 dtrace 脚本 "dtrace1.d"

syscall:::entry
/ execname == "foo" / 

（foo 是您的可执行文件的名称）

要在 dtrace 上运行，请使用：dtrace -s dtrace1.d

然后执行你的程序来查看你的程序使用的所有系统调用

【讨论】：

我已按照您的指示进行操作，但 dtrace 无法识别 gettimeofday 系统调用。它的输出几乎与dtruss 相同，除了在程序的最后列出对exit() 的调用之外，最后五个系统调用（见问题）是相同的。我正在运行 El Capitan (10.11.6)。您在计算机上看到了什么不同的东西吗？