golang 墙上时钟与单调时钟的实现

墙上时钟与单调时钟

墙上时钟

墙上时钟也称为墙上时间。大多是1970年1月1日（UTC）以来的秒数和毫秒数。

墙上时间可以和NTP（Network Time Protocal，网络时间协议）同步，但是如果本地时钟远远快于NTP服务器，则强制重置之后会跳到先前某个时间点。（这里不是很确定，猜测是如果时间差的不多，则调整石英晶体振荡器的频率，慢慢一致。如果差很多，则强行一致）

单调时钟

机器大多有自己的石英晶体振荡器，并将其作为计时器。单调时钟的绝对值没有任何意义，根据操作系统和语言的不同，单调时钟可能在程序开始时设为0、或在计算机启动后设为0等等。但是通过比较同一台计算机上两次单调时钟的差，可以获得相对准确的时间间隔。

Time的结构

 type Time struct {
    // wall and ext encode the wall time seconds, wall time nanoseconds,
    // and optional monotonic clock reading in nanoseconds.
    //
    // From high to low bit position, wall encodes a 1-bit flag (hasMonotonic),
    // a 33-bit seconds field, and a 30-bit wall time nanoseconds field.
    // The nanoseconds field is in the range [0, 999999999].
    // If the hasMonotonic bit is 0, then the 33-bit field must be zero
    // and the full signed 64-bit wall seconds since Jan 1 year 1 is stored in ext.
    // If the hasMonotonic bit is 1, then the 33-bit field holds a 33-bit
    // unsigned wall seconds since Jan 1 year 1885, and ext holds a
    // signed 64-bit monotonic clock reading, nanoseconds since process start.
    wall uint64
    ext  int64
    ...
 }
复制代码

wall和ext共同记录了时间，但是分为两种情况，一种是没有记录单调时钟（比如是通过字符串解析得到的时间），另一种是记录了单调时钟（比如通过Now）。

wall的第一位是一个标记位

如果为1，则表示记录了单调时钟。则wall的2-34（闭区间）位记录了从1885-1-1到现在的秒数，最后30位记录了纳秒数。而ext记录了从程序开始运行到现在经过的单调时钟数。

如果为0，则表示没有记录单调时钟。则wall的2-34（闭区间）位全部为0（那最后30位是啥？）。而ext记录了从1-1-1到现在经过的秒数。

Since的实现

这里比较关键的代码是第914行的runtimeNano() - startNano。startNano的含义还是直接上代码比较明了。

 var startNano = 0
 ​
 func init(){
     startNano = runtimeNano()
 }

runtimeNano()是调用了汇编，获取了操作系统当前的单调时钟。前面说过，单调时钟的绝对值没有什么意义。因此这里将两个时间相减，得到了从程序开始到现在的单调时钟。

然后看一下Sub

 func (t Time) Sub(u Time) Duration {
    if t.wall&u.wall&hasMonotonic != 0 {
       te := t.ext
       ue := u.ext
       d := Duration(te - ue)
       if d < 0 && te > ue {
          return maxDuration // t - u is positive out of range
       }
       if d > 0 && te < ue {
          return minDuration // t - u is negative out of range
       }
       return d
    }
    d := Duration(t.sec()-u.sec())*Second + Duration(t.nsec()-u.nsec())
    // Check for overflow or underflow.
    switch {
    case u.Add(d).Equal(t):
       return d // d is correct
    case t.Before(u):
       return minDuration // t - u is negative out of range
    default:
       return maxDuration // t - u is positive out of range
    }
 }

这里我们只需要关注2-13行即可。除去了范围检查，这里的主要逻辑就是两个Time的ext相减。而ext又都代表了单调时钟，所以最后返回的是单调时钟的差值。

小结

在分布式系统中，我们经常需要判断时间间隔来检测心跳。而墙上时钟与NTP的组合可能会带来时间的前后跳跃与闪烁，所以使用单调时钟更加安全和保险。

在go语言中，没有直接调用调用时钟的函数。可以通过time.Now()获得带单调时钟的Time结构体，并通过Since和Until获得相对准确的时间间隔。

参考资料

go time分析

一个commit

go1.14.2 源码

数据密集型应用系统设计（书）

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