Mac OS X 中的clock_gettime 替代方案

Question

在通過 MacPorts 安裝必要的庫后編譯我在 Mac OS X 上編寫的程序時，出現此錯誤：

In function 'nanotime':
error: 'CLOCK_REALTIME' undeclared (first use in this function)
error: (Each undeclared identifier is reported only once
error: for each function it appears in.)

似乎在 Mac OS X 中沒有實現clock_gettime 。是否有另一種方法可以以納秒為單位獲取紀元時間？ 不幸的是gettimeofday以微秒為單位。

Answer 1

經過數小時的閱讀不同的答案、博客和標題，我找到了一種獲取當前時間的便攜方法：

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

#ifdef __MACH__
#include <mach/clock.h>
#include <mach/mach.h>
#endif



struct timespec ts;

#ifdef __MACH__ // OS X does not have clock_gettime, use clock_get_time
clock_serv_t cclock;
mach_timespec_t mts;
host_get_clock_service(mach_host_self(), CALENDAR_CLOCK, &cclock);
clock_get_time(cclock, &mts);
mach_port_deallocate(mach_task_self(), cclock);
ts.tv_sec = mts.tv_sec;
ts.tv_nsec = mts.tv_nsec;

#else
clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
#endif

或查看此要點： https : //gist.github.com/1087739

希望這可以節省某人的時間。 干杯!

Answer 2

上述解決方案都沒有回答這個問題。 要么他們沒有給你絕對的 Unix 時間，要么他們的精度是 1 微秒。 jbenet 最流行的解決方案很慢（~6000ns），即使它的返回表明是這樣，也不以納秒計。 下面是對 jbenet 和 Dmitri B 建議的 2 個解決方案的測試，以及我對此的看法。 您無需更改即可運行代碼。

第三個解決方案確實以納秒為單位計算，並為您提供相當快的絕對 Unix 時間（~90ns）。 所以如果有人覺得它有用 - 請在這里告訴我們:-)。 我會堅持使用 Dmitri B 中的那個（代碼中的解決方案 #1）——它更符合我的需求。

我需要clock_gettime() 的商業質量替代品來進行pthread_…timed.. 調用，並且發現這個討論非常有幫助。 謝謝你們。

/*
 Ratings of alternatives to clock_gettime() to use with pthread timed waits:
    Solution 1 "gettimeofday":
        Complexity      : simple
        Portability     : POSIX 1
        timespec        : easy to convert from timeval to timespec
        granularity     : 1000 ns,
        call            : 120 ns,
        Rating          : the best.

    Solution 2 "host_get_clock_service, clock_get_time":
        Complexity      : simple (error handling?)
        Portability     : Mac specific (is it always available?)
        timespec        : yes (struct timespec return)
        granularity     : 1000 ns (don't be fooled by timespec format)
        call time       : 6000 ns
        Rating          : the worst.

    Solution 3 "mach_absolute_time + gettimeofday once":
        Complexity      : simple..average (requires initialisation)
        Portability     : Mac specific. Always available
        timespec        : system clock can be converted to timespec without float-math
        granularity     : 1 ns.
        call time       : 90 ns unoptimised.
        Rating          : not bad, but do we really need nanoseconds timeout?

 References:
 - OS X is UNIX System 3 [U03] certified
    http://www.opengroup.org/homepage-items/c987.html

 - UNIX System 3 <--> POSIX 1 <--> IEEE Std 1003.1-1988
    http://en.wikipedia.org/wiki/POSIX
    http://www.unix.org/version3/

 - gettimeofday() is mandatory on U03,
   clock_..() functions are optional on U03,
   clock_..() are part of POSIX Realtime extensions
    http://www.unix.org/version3/inttables.pdf

 - clock_gettime() is not available on MacMini OS X
    (Xcode > Preferences > Downloads > Command Line Tools = Installed)

 - OS X recommends to use gettimeofday to calculate values for timespec
    https://developer.apple.com/library/mac/documentation/Darwin/Reference/ManPages/man3/pthread_cond_timedwait.3.html

 - timeval holds microseconds, timespec - nanoseconds
    http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Elapsed-Time.html

 - microtime() is used by kernel to implement gettimeofday()
    http://ftp.tw.freebsd.org/pub/branches/7.0-stable/src/sys/kern/kern_time.c

 - mach_absolute_time() is really fast
    http://www.opensource.apple.com/source/Libc/Libc-320.1.3/i386/mach/mach_absolute_time.c

 - Only 9 deciaml digits have meaning when int nanoseconds converted to double seconds
    Tutorial: Performance and Time post uses .12 precision for nanoseconds
    http://www.macresearch.org/tutorial_performance_and_time

 Example:
    Three ways to prepare absolute time 1500 milliseconds in the future to use with pthread timed functions.

 Output, N = 3, stock MacMini, OSX 10.7.5, 2.3GHz i5, 2GB 1333MHz DDR3:
    inittime.tv_sec = 1390659993
    inittime.tv_nsec = 361539000
    initclock = 76672695144136
    get_abs_future_time_0() : 1390659994.861599000
    get_abs_future_time_0() : 1390659994.861599000
    get_abs_future_time_0() : 1390659994.861599000
    get_abs_future_time_1() : 1390659994.861618000
    get_abs_future_time_1() : 1390659994.861634000
    get_abs_future_time_1() : 1390659994.861642000
    get_abs_future_time_2() : 1390659994.861643671
    get_abs_future_time_2() : 1390659994.861643877
    get_abs_future_time_2() : 1390659994.861643972
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>       /* gettimeofday */
#include <mach/mach_time.h> /* mach_absolute_time */
#include <mach/mach.h>      /* host_get_clock_service, mach_... */
#include <mach/clock.h>     /* clock_get_time */

#define BILLION 1000000000L
#define MILLION 1000000L

#define NORMALISE_TIMESPEC( ts, uint_milli )            \
    do {                                                \
        ts.tv_sec += uint_milli / 1000u;                \
        ts.tv_nsec += (uint_milli % 1000u) * MILLION;   \
        ts.tv_sec += ts.tv_nsec / BILLION;              \
        ts.tv_nsec = ts.tv_nsec % BILLION;              \
    } while (0)

static mach_timebase_info_data_t timebase = { 0, 0 }; /* numer = 0, denom = 0 */
static struct timespec           inittime = { 0, 0 }; /* nanoseconds since 1-Jan-1970 to init() */
static uint64_t                  initclock;           /* ticks since boot to init() */

void init()
{
    struct timeval  micro;      /* microseconds since 1 Jan 1970 */

    if (mach_timebase_info(&timebase) != 0)
        abort();                            /* very unlikely error */

    if (gettimeofday(&micro, NULL) != 0)
        abort();                            /* very unlikely error */

    initclock = mach_absolute_time();

    inittime.tv_sec = micro.tv_sec;
    inittime.tv_nsec = micro.tv_usec * 1000;
    printf("\tinittime.tv_sec = %ld\n", inittime.tv_sec);
    printf("\tinittime.tv_nsec = %ld\n", inittime.tv_nsec);
    printf("\tinitclock = %ld\n", (long)initclock);
}

/*
 * Get absolute future time for pthread timed calls
 *  Solution 1: microseconds granularity
 */
struct timespec get_abs_future_time_coarse(unsigned milli)
{
    struct timespec future;         /* ns since 1 Jan 1970 to 1500 ms in the future */
    struct timeval  micro = {0, 0}; /* 1 Jan 1970 */

    (void) gettimeofday(&micro, NULL);
    future.tv_sec = micro.tv_sec;
    future.tv_nsec = micro.tv_usec * 1000;
    NORMALISE_TIMESPEC( future, milli );
    return future;
}

/*
 * Solution 2: via clock service
 */
struct timespec get_abs_future_time_served(unsigned milli)
{
    struct timespec     future;
    clock_serv_t        cclock;
    mach_timespec_t     mts;

    host_get_clock_service(mach_host_self(), CALENDAR_CLOCK, &cclock);
    clock_get_time(cclock, &mts);
    mach_port_deallocate(mach_task_self(), cclock);
    future.tv_sec = mts.tv_sec;
    future.tv_nsec = mts.tv_nsec;
    NORMALISE_TIMESPEC( future, milli );
    return future;
}

/*
 * Solution 3: nanosecond granularity
 */
struct timespec get_abs_future_time_fine(unsigned milli)
{
    struct timespec future;     /* ns since 1 Jan 1970 to 1500 ms in future */
    uint64_t        clock;      /* ticks since init */
    uint64_t        nano;       /* nanoseconds since init */

    clock = mach_absolute_time() - initclock;
    nano = clock * (uint64_t)timebase.numer / (uint64_t)timebase.denom;
    future = inittime;
    future.tv_sec += nano / BILLION;
    future.tv_nsec += nano % BILLION;
    NORMALISE_TIMESPEC( future, milli );
    return future;
}

#define N 3

int main()
{
    int                 i, j;
    struct timespec     time[3][N];
    struct timespec   (*get_abs_future_time[])(unsigned milli) =
    {
        &get_abs_future_time_coarse,
        &get_abs_future_time_served,
        &get_abs_future_time_fine
    };

    init();
    for (j = 0; j < 3; j++)
        for (i = 0; i < N; i++)
            time[j][i] = get_abs_future_time[j](1500);  /* now() + 1500 ms */

    for (j = 0; j < 3; j++)
        for (i = 0; i < N; i++)
            printf("get_abs_future_time_%d() : %10ld.%09ld\n",
                   j, time[j][i].tv_sec, time[j][i].tv_nsec);

    return 0;
}

Answer 3

實際上，在 Sierra 10.12 之前的 macOS 似乎沒有實現它。 您可能需要查看此博客條目。 主要思想在以下代碼片段中：

#include <mach/mach_time.h>
#define ORWL_NANO (+1.0E-9)
#define ORWL_GIGA UINT64_C(1000000000)

static double orwl_timebase = 0.0;
static uint64_t orwl_timestart = 0;

struct timespec orwl_gettime(void) {
  // be more careful in a multithreaded environement
  if (!orwl_timestart) {
    mach_timebase_info_data_t tb = { 0 };
    mach_timebase_info(&tb);
    orwl_timebase = tb.numer;
    orwl_timebase /= tb.denom;
    orwl_timestart = mach_absolute_time();
  }
  struct timespec t;
  double diff = (mach_absolute_time() - orwl_timestart) * orwl_timebase;
  t.tv_sec = diff * ORWL_NANO;
  t.tv_nsec = diff - (t.tv_sec * ORWL_GIGA);
  return t;
}

Answer 4

#if defined(__MACH__) && !defined(CLOCK_REALTIME)
#include <sys/time.h>
#define CLOCK_REALTIME 0
// clock_gettime is not implemented on older versions of OS X (< 10.12).
// If implemented, CLOCK_REALTIME will have already been defined.
int clock_gettime(int /*clk_id*/, struct timespec* t) {
    struct timeval now;
    int rv = gettimeofday(&now, NULL);
    if (rv) return rv;
    t->tv_sec  = now.tv_sec;
    t->tv_nsec = now.tv_usec * 1000;
    return 0;
}
#endif

Answer 5

技術問答 QA1398：技術問答 QA1398：馬赫絕對時間單位中描述了您需要的一切，基本上您想要的功能是mach_absolute_time 。

這是該頁面中示例代碼的稍早版本，它使用 Mach 調用完成所有操作（當前版本使用來自 CoreServices 的AbsoluteToNanoseconds ）。 在當前的 OS X（即 x86_64 上的 Snow Leopard）中，絕對時間值實際上以納秒為單位，因此實際上根本不需要任何轉換。 所以，如果你擅長編寫可移植的代碼，你就會轉換，但如果你只是為自己做一些快速而骯臟的事情，你就不必費心了。

FWIW， mach_absolute_time真的很快。

uint64_t GetPIDTimeInNanoseconds(void)
{
    uint64_t        start;
    uint64_t        end;
    uint64_t        elapsed;
    uint64_t        elapsedNano;
    static mach_timebase_info_data_t    sTimebaseInfo;

    // Start the clock.

    start = mach_absolute_time();

    // Call getpid. This will produce inaccurate results because 
    // we're only making a single system call. For more accurate 
    // results you should call getpid multiple times and average 
    // the results.

    (void) getpid();

    // Stop the clock.

    end = mach_absolute_time();

    // Calculate the duration.

    elapsed = end - start;

    // Convert to nanoseconds.

    // If this is the first time we've run, get the timebase.
    // We can use denom == 0 to indicate that sTimebaseInfo is 
    // uninitialised because it makes no sense to have a zero 
    // denominator is a fraction.

    if ( sTimebaseInfo.denom == 0 ) {
        (void) mach_timebase_info(&sTimebaseInfo);
    }

    // Do the maths. We hope that the multiplication doesn't 
    // overflow; the price you pay for working in fixed point.

    elapsedNano = elapsed * sTimebaseInfo.numer / sTimebaseInfo.denom;

    printf("multiplier %u / %u\n", sTimebaseInfo.numer, sTimebaseInfo.denom);
    return elapsedNano;
}

Answer 6

請注意，macOS Sierra 10.12 現在支持 clock_gettime()：

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main() {
    struct timespec res;
    struct timespec time;

    clock_getres(CLOCK_REALTIME, &res);
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &time);

    printf("CLOCK_REALTIME: res.tv_sec=%lu res.tv_nsec=%lu\n", res.tv_sec, res.tv_nsec);
    printf("CLOCK_REALTIME: time.tv_sec=%lu time.tv_nsec=%lu\n", time.tv_sec, time.tv_nsec);
}

它確實提供了納秒； 然而，分辨率是 1000，所以它（in）有效地限制在微秒內：

CLOCK_REALTIME: res.tv_sec=0 res.tv_nsec=1000
CLOCK_REALTIME: time.tv_sec=1475279260 time.tv_nsec=525627000

您將需要 XCode 8 或更高版本才能使用此功能。 為使用此功能而編譯的代碼將無法在 Mac OS X 版本（10.11 或更早版本）上運行。

Answer 7

謝謝你的帖子

我想你可以添加以下幾行

#ifdef __MACH__
#include <mach/mach_time.h>
#define CLOCK_REALTIME 0
#define CLOCK_MONOTONIC 0
int clock_gettime(int clk_id, struct timespec *t){
    mach_timebase_info_data_t timebase;
    mach_timebase_info(&timebase);
    uint64_t time;
    time = mach_absolute_time();
    double nseconds = ((double)time * (double)timebase.numer)/((double)timebase.denom);
    double seconds = ((double)time * (double)timebase.numer)/((double)timebase.denom * 1e9);
    t->tv_sec = seconds;
    t->tv_nsec = nseconds;
    return 0;
}
#else
#include <time.h>
#endif

讓我知道你得到的延遲和粒度

Answer 8

迄今為止，Maristic 在這里給出了最好的答案。 讓我簡化一下並補充一點。 #include和Init() ：

#include <mach/mach_time.h>

double conversion_factor;

void Init() {
  mach_timebase_info_data_t timebase;
  mach_timebase_info(&timebase);
  conversion_factor = (double)timebase.numer / (double)timebase.denom;
}

用於：

  uint64_t t1, t2;

  Init();

  t1 = mach_absolute_time();
  /* profiled code here */
  t2 = mach_absolute_time();

  double duration_ns = (double)(t2 - t1) * conversion_factor;  

這種計時器的延遲為65ns +/- 2ns (2GHz CPU)。 如果您需要單次執行的“時間演變”，請使用此選項。 否則即使使用gettimeofday()循環你的代碼10000次並分析，它是可移植的（POSIX），並且具有100ns +/- 0.5ns的延遲（盡管只有1us粒度）。

Answer 9

我嘗試了帶有clock_get_time 的版本，並緩存了host_get_clock_service 調用。 它比 gettimeofday 慢得多，每次調用需要幾微秒。 而且，更糟糕的是，返回值的步長為 1000，即它仍然是微秒級粒度。

我建議使用 gettimeofday，並將 tv_usec 乘以 1000。

Answer 10

基於開源的mach_absolute_time.c我們可以看到extern mach_port_t clock_port;這一行extern mach_port_t clock_port; 告訴我們已經為單調時間初始化了一個馬赫端口。 可以直接訪問這個時鍾端口，而不必求助於調用mach_absolute_time然后轉換回struct timespec 。 繞過對mach_absolute_time的調用應該可以提高性能。

我使用基於 extern clock_port和類似線程的代碼創建了一個小型Github 存儲庫（PosixMachTiming） 。 PosixMachTiming為CLOCK_REALTIME和CLOCK_MONOTONIC模擬clock_gettime 。 它還模擬函數clock_nanosleep以獲得絕對單調時間。 請嘗試一下，看看性能比較如何。 也許您可能想要創建比較測試或模擬其他 POSIX 時鍾/功能？

Answer 11

至少早在 Mountain Lion 時， mach_absolute_time()返回的是納秒而不是絕對時間（即總線周期數）。

我的 MacBook Pro（2 GHz Core i7）上的以下代碼顯示調用mach_absolute_time()的時間平均為 39 ns，超過 10 次運行（最少 35，最多 45），這基本上是兩次調用返回到 mach_absolute_time 之間的時間()，關於1次調用：

#include <stdint.h>
#include <mach/mach_time.h>
#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
   uint64_t now, then;
   uint64_t abs;

   then = mach_absolute_time(); // return nanoseconds
   now = mach_absolute_time();
   abs = now - then;

   cout << "nanoseconds = " << abs << endl;
}

Answer 12

我找到了另一個便攜式解決方案。

在一些頭文件中聲明（甚至在你的源文件中）：

/* If compiled on DARWIN/Apple platforms. */
#ifdef DARWIN
#define    CLOCK_REALTIME    0x2d4e1588
#define    CLOCK_MONOTONIC   0x0
#endif /* DARWIN */

並添加函數實現：

#ifdef DARWIN

/*
 * Bellow we provide an alternative for clock_gettime,
 * which is not implemented in Mac OS X.
 */
static inline int clock_gettime(int clock_id, struct timespec *ts)
{
    struct timeval tv;

    if (clock_id != CLOCK_REALTIME) 
    {
        errno = EINVAL;
        return -1;
    }
    if (gettimeofday(&tv, NULL) < 0) 
    {
        return -1;
    }
    ts->tv_sec = tv.tv_sec;
    ts->tv_nsec = tv.tv_usec * 1000;
    return 0;
}

#endif /* DARWIN */

不要忘記包含<time.h> 。

Answer 13

void clock_get_uptime(uint64_t *result);

void clock_get_system_microtime(            uint32_t *secs,
                                            uint32_t *microsecs);

void clock_get_system_nanotime(             uint32_t *secs,
                                            uint32_t *nanosecs);
void clock_get_calendar_microtime(          uint32_t *secs,
                                            uint32_t *microsecs);

void clock_get_calendar_nanotime(           uint32_t *secs,
                                            uint32_t *nanosecs);

對於 MacOS，您可以在他們的開發人員頁面上找到很好的信息https://developer.apple.com/library/content/documentation/Darwin/Conceptual/KernelProgramming/services/services.html