C语言的sleep、usleep、nanosleep等休眠函数的使用

2023-03-09 17:03:46 函数 语言 休眠

昨天晚上,无聊中捣鼓「死循环」小代码的时候,想用 休眠 函数来慢慢显示输出结果,免得输出结果闪得太快,看都看不清。

但是,使用 sleep 函数的话,最短的休眠时间段是一秒钟,要想看到比较大的输出结果的话,要等好久,于是就查了一下有没有休眠时间段更小的函数。很容易地就找到了两个,一个是 usleep ,一个是 nanosleep 函数。

因为是第一次使用,尤其是 nanosleep 函数的第一个参数是一个没见过的结构体数据类型,所以花了一点点时间去学习和探索背后的细节,当然了,对于俺目前的水平而言,也只是了解了函数本身层面的浅显的细节而已。

捣鼓下来,觉得内容也不少,而且还是挺有用的,就整理了一下,组合成文章,发布在这里,也方便自己以后的回顾学习。

引子

一个无聊的死循环小代码:

#include <stdio.h>

int main(int arGC, char const *argv[])
{
    for (char c = 0; c < 128; c++) {
                printf("cool\n");
    }
    return 0;
}

以及 运行过程 展示版:

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
    struct timespec n_sleep;
    n_sleep.tv_sec = 0; //secondes, integer part sleep duration
    n_sleep.tv_nsec = 5e8L; //nanoseconds, decimal part sleep duration

    char c;
    for (c = 0; c < 128; c++) {
        printf("char of c :%c\n", c);
        printf("ASCII num of c :%d\n", c);
        sleep(1); // 1 s
        usleep(900000); // 0.9 s 
        nanosleep(&n_sleep, NULL); // 0 + 0.5 s
    }
    return 0;
}

另外,推荐一下 clang 这款编译器,
它的(1)错误、(2)警告 提示非常直观、准确、体贴。
比如,上面的死循环代码,编译之后,它就贴心地显示了一个警告:

result of comparison of constant 128 with expression of type 'char' is always true
      [-Wtautological-constant-out-of-range-compare]
              for (c = 0; c < 128; c++) {
                        ~ ^ ~~~

强烈推荐啊!!!
当然,如果还是喜欢或者必须使用 gcc 的话,建议可以将 clang 作为一个辅助选项。

(一) sleep 函数

头文件 unistd.h
头文件 unistd.h 中的原文如下:


extern unsigned int sleep (unsigned int __seconds);

通过debug的方式,进入 sleep 函数本体内部,可以反向查找到 sleep 函数所在的具体文件是 /glibc-2.23/sysdeps/posix/sleep.c 。

(根据gcc版本的不同,上面的库函数版本号 glibc-2.23 有所不同。)

源文件 sleep.c

sleep 函数的原型代码如下:

#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/param.h>


unsigned int __sleep(unsigned int seconds)
{
    int save_errno = errno;

    const unsigned int max =
        (unsigned int)(((unsigned long int)(~((time_t)0))) >> 1);
    struct timespec ts = { 0, 0 };
    do {
        if (sizeof(ts.tv_sec) <= sizeof(seconds)) {
            
            ts.tv_sec += MIN(seconds, max);
            seconds -= (unsigned int)ts.tv_sec;
        } else {
            ts.tv_sec = (time_t)seconds;
            seconds = 0;
        }

        if (__nanosleep(&ts, &ts) < 0)
            
            return seconds + ts.tv_sec;
    } while (seconds > 0);

    __set_errno(save_errno);

    return 0;
}
weak_alias(__sleep, sleep)

sleep 函数的用法

简单地说, sleep 函数实现的功能是 让程序休眠若干秒钟,时间的最小刻度是「秒」。

extern unsigned int sleep (unsigned int __seconds);

sleep 函数的返回值

  • (1)如果 sleep 函数顺利执行了的话,返回值是实际休眠的时间数,
  • (2)如果实际休眠的时间和设定的休眠时间一致的话,返回值是0,
  • (3)不会返回表示 错误 信息的值,但是如果返回的值与设定的休眠时间的值一样的话,很可能 sleep 函数其实并没有执行,
  • (4)返回值类型是 unsigned int 型,也就是说,是一个 非负数 。

sleep 函数的参数

  • (1)参数的类型是 unsigned int 型,也就是说,是一个 非负数 ,
  • (2)参数的时间单位是 秒 。

所以, sleep 函数,使 进程/process 休眠的最短时间段,是一秒钟。

(二) usleep 函数

头文件 unistd.h
头文件 unistd.h 中的原文如下:


extern int usleep (__useconds_t __useconds);

查找上面的 sleep.c 文件的时候,在 find 命令的结果中看到了 usleep.c 文件和 sleep.c 文件位于同一个文件夹:
/glibc-2.23/sysdeps/posix/sleep.c 。

(根据gcc版本的不同,上面的库函数版本号 glibc-2.23 有所不同。)

源文件 usleep.c

usleep 函数的原型代码如下:

#include <time.h>
#include <unistd.h>

int
usleep (useconds_t useconds)
{
  struct timespec ts = { .tv_sec = (long int) (useconds / 1000000),
             .tv_nsec = (long int) (useconds % 1000000) * 1000ul };

  
  return __nanosleep (&ts, NULL);
}

名称 usleep 的第一个字母 u 代表的是时间单位 微秒 的第一个字母。
虽然实际上是希腊字母的 μ ,但英语键盘里不方便敲出这个字母,所以就用了样子相似的英文字母 u 。
时间单位 微秒 的英文单词是 microsecond ,是由词根 micro 和 second 组合而成的单词。
微秒 是 10的负6次方 秒。

另外,还有一个以字母 m 开头的时间单位的英文单词 millisecond ,意思是 毫秒 ,也就是 千分之一秒。
注意,区分 micro 和 milli ,一个是 微 ,一个是 毫 。

usleep 函数的用法

简单地说, usleep 函数实现的功能是 让程序休眠若干「微秒」,时间的最小刻度是「微秒」,10的负6次方 秒。


extern int usleep (__useconds_t __useconds);

usleep 函数的返回值

网上查到的是:成功返回0,出错返回-1。

usleep 函数的参数

  • (1) 参数的类型是 __useconds_t ,这个类型的定义要查找好几个文件才找得到,
  • (2) 首先是找到了头文件 types.h ,具体路径是 /glibc/include/sys/types.h ,可惜这里面没有明确、具体的定义,
  • (3) 然后还得找到头文件 typesizes.h ,具体路径是 ==/glibc/sysdeps/Mach/hurd/bits/typesizes.h ==,这里终于有了,
  • (4) 第一个宏, #define __USECONDS_T_TYPE __U32_TYPE ,在 typesizes.h 文件里,
  • (5) 第二个宏, #define __U32_TYPE unsigned int ,在 types.h 文件里,
  • (6) 真是折腾啊!这下总算知道 __useconds_t 就是 unsigned int 类型了,也就是 非负整数。
  • (7) 参数的时间单位是 微秒 。

所以, usleep 函数,使 进程/process 休眠的最短时间段,是一微秒。

(三) nanosleep 函数

头文件 time.h
这个 time.h 头文件的路径是 /glibc/time/time.h 。
C语言自带的库目录里面,有好几个不同目录下的 time.h 文件,只有这个才是定义了 nanosleep 函数的。
也不知道,编译器在预处理阶段去获取的 time.h 到底是哪个? 或者说,全部都获取过来了?

头文件 time.h 中的原文如下:


extern int nanosleep (const struct timespec *__requested_time,
              struct timespec *__remaining);

函数名称的 nano 是 纳米、纳秒 等计量单位的开头字母,一纳秒是10的负9次方 秒,是10的负6次方 毫秒,是10的负3次方 微秒。

源文件 nanosleep.c

下面是这个路径 /glibc/posix/nanosleep.c 的文件内容。

在C语言自带的函数库中搜索 nanosleep ,出来的结果同样有好几个,暂时分不清到底是哪个,先采用了这个。

nanosleep 函数的原型代码如下:

#include <errno.h>
#include <time.h>



int
__nanosleep (const struct timespec *requested_time,
         struct timespec *remaining)
{
  __set_errno (ENOSYS);
  return -1;
}
stub_warning (nanosleep)

hidden_def (__nanosleep)
weak_alias (__nanosleep, nanosleep)

nanosleep 函数的用法

简单地说, nanosleep 函数实现的功能是 让程序休眠若干「纳秒」,时间的最小刻度是「纳秒」,10的负9次方 秒。


extern int nanosleep (const struct timespec *__requested_time,
              struct timespec *__remaining);

nanosleep 函数的返回值

网上查到的是:成功返回0,出错返回-1。

这个函数功能是暂停某个进程直到你规定的时间后恢复,参数 req 就是你要暂停的时间,其中 req->tv_sec 是以秒为单位,而 tv_nsec 以纳秒为单位(10的-9次方秒)。

由于调用 nanosleep 是进程进入 TASK_INTERRUPTIBLE ,这种状态是会相应信号而进入 TASK_RUNNING 状态的,这就意味着有可能会没有等到你规定的时间就因为其它信号而唤醒,此时函数返回 -1 ,切换剩余的时间会被记录在 rem 中。

return值: 若进程暂停到参数 *req 所指定的时间,成功则返回0;若有信号中断则返回-1,并且将剩余微秒数记录在 *rem 中。

nanosleep 函数的参数

第一个参数 *__requested_time 的数据类型是 struct timespec ,定义在 time.h 文件中,

具体是定义在 /glibc/time/bits/types/struct_timespec.h 文件中的。
文件内容如下:

#include <bits/types.h>


struct timespec
{
  __time_t tv_sec;        
  __syscall_slong_t tv_nsec;    
};

对于 struct timespec 数据类型的详细说明如下:
(昨天晚上上网查资料、自行测试的时候,自己写的英文笔记,请忽略语法疏漏~)

in header file of C lib, time.h, declaration as below:

struct timespec; (since C11)

struct timespec {
    time_t tv_sec; // seconds
    long tv_nsec; // nanoseconds
};

Member objects / 结构体成员:

time_t tv_sec whole seconds (valid values are >= 0)
long tv_nsec nanoseconds (valid values are [0, 999999999])

time_t 类型是 long 型,成员 tv_sec 决定 休眠持续时间段的 整数部分:

member of 「tv_sec」 at the type of 「time_t」,
aka (also know as) 「long」 type,
determines the integer part of sleep duration;

time_t 类型是 long 型,成员 tv_nsec 决定 休眠持续时间段的 小数部分:

member of 「tv_nsec」 at the type of 「long」,
and in the range of [0, 999999999] or [0,1e9),
that means tv_nsec is forever less than 1 second,
determines the decimal part of sleep duration.

就算赋值给成员 tv_nsec 的数值直接计算下来超过了一秒,成员 tv_nsec 获得的实际的值也是被取余后的结果。

even if a value more than 999999999 ns given to tv_nsec,
actually what tv_nsec will get is a value cut down extra part,
eg. 1e9L or 100000000 will be cut the high bits and leave 0 to tv_nsec.

总而言之,整个的休眠时间段是 整数部分的 tv_sec 加上 小数部分的 tv_nsec 组成的。

so, the whole sleep duration is tv_sec + tv_nsec,
just as 「integer part + decimal part」 of the whole sleep duration.

所以, nanosleep 函数,使 进程/process 休眠的最短时间段,是一纳秒。

注意

  • unistd.h 是 unix 系统标准头文件,用于系统调用,相当于 win32 中的 windows.h , unistd.h 定义的函数只能用于 UNIX 环境中,而不能用于 windows 。
  • 所以 sleep 和 usleep 只能用于 linux / Unix 下,而不能用于 windows 。
  • nalosleep 和 其它时间日期操作函数 一样,都是定义在 time.h 中的,所以都适用。
  • 使用 clang 编译c程序文件的时候,提示「警告」说, usleep 和 nanosleep 在 C99 中是非法的。不过因为实际采用的是 C11 标准,所以还是编译通过了,也能正常执行。这里只是 clang 的一个善意的提醒吧。

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