使用shell实现高精度时间日志记录与时间跳变检测

橘色的喵2024-10-11 20:03

文章目录

    • [0. 概述](#0. 概述)
    • [1. 使用说明](#1. 使用说明)
    • [1.1. 参数说明](#1.1. 参数说明)
      • [1.2. 运行脚本](#1.2. 运行脚本)
    • [2. 脚本详细解析](#2. 脚本详细解析)
      • [2.1. 参数初始化](#2.1. 参数初始化)
      • [2.2. 参数解析与验证](#2.2. 参数解析与验证)
      • [2.3 主循环条件](#2.3 主循环条件)
      • [2.4 时间跳变检测与处理](#2.4 时间跳变检测与处理)
      • [2.5. 日志轮转机制](#2.5. 日志轮转机制)
      • [2.6. 睡眠时间计算](#2.6. 睡眠时间计算)

0. 概述

之前写过单线程版本的高精度时间日志记录小程序：C++编程：实现简单的高精度时间日志记录小程序(单线程)

然后写了多线程版本的高精度时间日志记录小程序：使用C++实现高精度时间日志记录与时间跳变检测[多线程版本]

本文将使用shell脚本实现类似的功能，该脚本主要实现以下功能：

  1. 定时记录时间戳：按照指定的时间间隔（默认为20毫秒）记录当前时间戳。
  2. 时间跳变检测与处理：当检测到系统时间回退或跳跃时，记录跳变前后的时间戳，以便后续分析。
  3. 日志轮转：当日志文件达到指定大小（默认为50MB）时，自动轮转日志文件，并保留一定数量的历史日志文件。
  4. 可配置参数：支持通过命令行参数自定义时间间隔、日志文件名、运行时长等配置。

1. 使用说明

1.1. 参数说明

脚本提供了多种可配置参数，用户可以根据需求进行调整：

  • -i, --interval <milliseconds>：设置记录时间戳的时间间隔，默认为20毫秒。
  • -f, --file <filename>：设置输出日志文件的名称，默认为timestamps_sh.txt。
  • -t, --time <seconds>：设置脚本的运行时长，默认为72000秒（20小时）。
  • --disable_selective_logging：禁用选择性日志记录功能。
  • -h, --help：显示帮助信息。

1.2. 运行脚本

使用默认参数运行脚本：

bash 复制代码 
./time_jump_check.sh

使用自定义参数运行脚本，例如设置间隔为500毫秒，运行时长为3600秒（1小时）：

bash 复制代码 
./time_jump_check.sh -i 500 -t 3600

禁用选择性日志记录功能：

bash 复制代码 
./time_jump_check.sh --disable_selective_logging

2. 脚本详细解析

以下是time_jump_check.sh 脚本的完整代码：

bash 复制代码 
#!/bin/bash

# Default parameters
INTERVAL_MS=20               # Default interval 20 milliseconds
FILENAME="timestamps_sh.txt" # Default log file name
RUN_TIME_SECONDS=72000       # Default run time 72000 seconds (20 hours)
MAX_FILE_SIZE=50*1024*1024   # 50MB in bytes
SELECTIVE_LOGGING=true      # Default to enable selective logging
PRE_JUMP_RECORD=10          # Number of timestamps to record before jump
POST_JUMP_RECORD=10         # Number of timestamps to record after jump
MAX_LOG_FILES=2             # Maximum number of log files to keep

# Function to show usage information
usage() {
    echo "Usage: $0 [options]"
    echo "Options:"
    echo "  -i, --interval <milliseconds>        Set the time interval, default is 20 milliseconds"
    echo "  -f, --file <filename>                Set the output file name, default is timestamps.txt"
    echo "  -t, --time <seconds>                 Set the run time, default is 72000 seconds (20 hours)"
    echo "      --disable_selective_logging      Disable selective logging feature"
    echo "  -h, --help                          Show this help message"
    exit 1
}

# Parse command line arguments
while [[ $# -gt 0 ]]; do
    key="$1"
    case $key in
        -i|--interval)
        INTERVAL_MS="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
        -f|--file)
        FILENAME="$2"
        shift
        shift
        ;;
        -t|--time)
        RUN_TIME_SECONDS="$2"
        shift
        shift
        ;;
        --disable_selective_logging)
        SELECTIVE_LOGGING=false
        shift
        ;;
        -h|--help)
        usage
        ;;
        *)
        echo "Unknown option: $1"
        usage
        ;;
    esac
done

# Validate parameters
if ! [[ "$INTERVAL_MS" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$INTERVAL_MS" -le 0 ]; then
    echo "Error: Interval must be a positive integer."
    usage
fi

if ! [[ "$RUN_TIME_SECONDS" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$RUN_TIME_SECONDS" -le 0 ]; then
    echo "Error: Run time must be a non-negative integer."
    usage
fi

# Output configuration
echo "Time Interval: $INTERVAL_MS milliseconds"
echo "Output File: $FILENAME"
echo "Run Time: $RUN_TIME_SECONDS seconds"
echo "Selective Logging: $SELECTIVE_LOGGING"

# Initialize variables
last_timestamp_us=0
second_last_timestamp_us=0
total_timestamps=0
in_jump_mode=false
jump_remaining=0
time_jump_count=0

declare -a pre_jump_timestamps=()

# Create or clear the log file
if ! > "$FILENAME"; then
    echo "Error: Unable to create or clear log file '$FILENAME'."
    exit 1
fi

# Main loop start time
START_TIME=$(date +%s)
while [[ $(($(date +%s) - START_TIME)) -lt $RUN_TIME_SECONDS || $time_jump_count -lt $RUN_TIME_SECONDS ]]; do
    # Get the current time string
    current_time_str=$(date +"%Y-%m-%d %H:%M:%S.%6N")

    # Convert current time to microseconds (since epoch)
    current_timestamp_us=$(date +"%s%6N")

    time_jump=false

    if [[ $last_timestamp_us -ne 0 && $second_last_timestamp_us -ne 0 && $SELECTIVE_LOGGING == true ]]; then
        if [[ $current_timestamp_us -lt $last_timestamp_us ]]; then
            # Time regression detected
            time_jump=true
        else
            # Check if the interval is too small based on second last timestamp
            expected_interval_us=$(( INTERVAL_MS * 1000 ))
            actual_interval_us=$(( current_timestamp_us - second_last_timestamp_us ))
            threshold_us=$(( expected_interval_us * 15 / 10 ))  # 1.5x threshold
            if [[ $actual_interval_us -lt $threshold_us ]]; then
                time_jump=true
            fi
        fi
    fi

    # Update timestamps
    second_last_timestamp_us=$last_timestamp_us
    last_timestamp_us=$current_timestamp_us

    # Add current time to pre_jump_timestamps array
    pre_jump_timestamps+=("$current_time_str")
    # Keep array length at most PRE_JUMP_RECORD
    if [[ ${#pre_jump_timestamps[@]} -gt $PRE_JUMP_RECORD ]]; then
        pre_jump_timestamps=("${pre_jump_timestamps[@]: -$PRE_JUMP_RECORD}")
    fi

    if [[ $SELECTIVE_LOGGING == true && $time_jump == true && $in_jump_mode == false ]]; then
        # Detected a time jump, enter jump mode
        in_jump_mode=true
        jump_remaining=$POST_JUMP_RECORD

        # Log pre-jump timestamps
        echo -e "\n--- TIME JUMP DETECTED ---" >> "$FILENAME"
        for ts in "${pre_jump_timestamps[@]}"; do
            echo "$ts" >> "$FILENAME"
        done

        # Log current timestamp with [TIME_JUMP] marker
        echo "$current_time_str [TIME_JUMP]" >> "$FILENAME"

    elif [[ $in_jump_mode == true ]]; then
        # In jump mode, record post-jump timestamps
        echo "$current_time_str" >> "$FILENAME"
        jump_remaining=$((jump_remaining - 1))
        if [[ $jump_remaining -le 0 ]]; then
            in_jump_mode=false
        fi
    else
        # Normal mode: log every 500 timestamps
        total_timestamps=$((total_timestamps + 1))
        if [[ $((total_timestamps % 500)) -eq 0 ]]; then
            echo "$current_time_str" >> "$FILENAME"
        fi
    fi

    # Check and perform log rotation
    current_size=$(stat -c%s "$FILENAME" 2>/dev/null || echo 0)
    if [[ $current_size -ge $MAX_FILE_SIZE ]]; then
        new_filename="${FILENAME}.$(date +"%Y%m%d%H%M%S")"
        if ! mv "$FILENAME" "$new_filename"; then
            echo "Error: Unable to rotate log file to '$new_filename'."
            exit 1
        fi
        echo "Rotated log file to $new_filename"
        # Create a new log file
        if ! > "$FILENAME"; then
            echo "Error: Unable to create new log file '$FILENAME'."
            exit 1
        fi

        # Remove oldest log file if there are more than MAX_LOG_FILES
        log_files=($(ls -t "${FILENAME}".* 2>/dev/null))
        if [[ ${#log_files[@]} -gt $MAX_LOG_FILES ]]; then
            for (( i=$MAX_LOG_FILES; i<${#log_files[@]}; i++ )); do
                if ! rm "${log_files[$i]}"; then
                    echo "Error: Unable to remove old log file '${log_files[$i]}'."
                fi
            done
        fi
    fi

    # Replace awk with bash and printf to calculate sleep_time
    integer_part=$(( INTERVAL_MS / 1000 ))
    fractional_part=$(( INTERVAL_MS % 1000 ))
    # Ensure fractional_part is three digits with leading zeros if necessary
    fractional_part_padded=$(printf "%03d" "$fractional_part")
    sleep_time="${integer_part}.${fractional_part_padded}"

    # Sleep for the specified interval
    sleep "$sleep_time"
done

echo "Program has ended."

exit 0

2.1. 参数初始化

脚本开始部分定义了一系列默认参数，包括时间间隔、日志文件名、运行时长、最大日志文件大小、选择性日志记录开关、记录跳跃前后的时间戳数量以及最大保留的日志文件数量。

bash 复制代码 
INTERVAL_MS=20               # 默认间隔20毫秒
FILENAME="timestamps_sh.txt" # 默认日志文件名
RUN_TIME_SECONDS=72000       # 默认运行时长72000秒（20小时）
MAX_FILE_SIZE=$((50*1024*1024))   # 50MB
SELECTIVE_LOGGING=true      # 默认启用选择性日志记录
PRE_JUMP_RECORD=10          # 跳跃前记录的时间戳数量
POST_JUMP_RECORD=10         # 跳跃后记录的时间戳数量
MAX_LOG_FILES=2             # 最大保留日志文件数量

2.2. 参数解析与验证

通过命令行参数，用户可以自定义脚本的运行参数。脚本使用while循环和case语句解析传入的参数，并进行必要的验证，确保参数的有效性。

bash 复制代码 
# 解析命令行参数
while [[ $# -gt 0 ]]; do
    key="$1"
    case $key in
        -i|--interval)
        INTERVAL_MS="$2"
        shift # 过去参数
        shift # 过去值
        ;;
        -f|--file)
        FILENAME="$2"
        shift
        shift
        ;;
        -t|--time)
        RUN_TIME_SECONDS="$2"
        shift
        shift
        ;;
        --disable_selective_logging)
        SELECTIVE_LOGGING=false
        shift
        ;;
        -h|--help)
        usage
        ;;
        *)
        echo "Unknown option: $1"
        usage
        ;;
    esac
done

# 验证参数
if ! [[ "$INTERVAL_MS" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$INTERVAL_MS" -le 0 ]; then
    echo "Error: Interval must be a positive integer."
    usage
fi

if ! [[ "$RUN_TIME_SECONDS" =~ ^[0-9]+$ ]] || [ "$RUN_TIME_SECONDS" -le 0 ]; then
    echo "Error: Run time must be a non-negative integer."
    usage
fi

2.3 主循环条件

主循环的条件为：

bash 复制代码 
while [[ $(($(date +%s) - START_TIME)) -lt $RUN_TIME_SECONDS || $time_jump_count -lt $RUN_TIME_SECONDS ]]; do

这意味着，脚本将在以下两个条件之一满足时继续运行：

  1. 已经运行的时间未超过设定的RUN_TIME_SECONDS。
  2. 检测到的时间跳变次数未超过RUN_TIME_SECONDS。

这种设计确保了即使系统时间发生大幅跳变，脚本仍能继续运行，直到达到预定的运行时长。

2.4 时间跳变检测与处理

脚本通过比较当前时间戳与之前的时间戳来检测时间跳变。当检测到时间回退或时间间隔异常小时，触发跳变处理机制。

bash 复制代码 
if [[ $current_timestamp_us -lt $last_timestamp_us ]]; then
    # 时间回退
    time_jump=true
    time_jump_count=$((time_jump_count + 1))
else
    # 检查时间间隔是否异常
    expected_interval_us=$(( INTERVAL_MS * 1000 ))
    actual_interval_us=$(( current_timestamp_us - second_last_timestamp_us ))
    threshold_us=$(( expected_interval_us * 15 / 10 ))  # 1.5倍阈值
    if [[ $actual_interval_us -lt $threshold_us ]]; then
        time_jump=true
        time_jump_count=$((time_jump_count + 1))
    fi
fi

当检测到时间跳变时，脚本将：

  1. 记录跳变前的时间戳。
  2. 标记当前时间戳为跳变时间。
  3. 在后续的循环中，记录一定数量的跳变后时间戳，确保日志的连续性。

2.5. 日志轮转机制

为防止日志文件过大，脚本实现了日志轮转功能。当日志文件大小超过MAX_FILE_SIZE时，脚本会：

  1. 将当前日志文件重命名为带有时间戳的文件名。
  2. 创建一个新的空日志文件。
  3. 保留最新的MAX_LOG_FILES个日志文件，删除最旧的文件。
bash 复制代码 
# 检查并执行日志轮转
current_size=$(stat -c%s "$FILENAME" 2>/dev/null || echo 0)
if [[ $current_size -ge $MAX_FILE_SIZE ]]; then
    new_filename="${FILENAME}.$(date +"%Y%m%d%H%M%S")"
    if ! mv "$FILENAME" "$new_filename"; then
        echo "Error: Unable to rotate log file to '$new_filename'."
        exit 1
    fi
    echo "Rotated log file to $new_filename"
    # 创建新的日志文件
    if ! > "$FILENAME"; then
        echo "Error: Unable to create new log file '$FILENAME'."
        exit 1
    fi

    # 如果日志文件超过MAX_LOG_FILES个，删除最旧的文件
    log_files=($(ls -t "${FILENAME}".* 2>/dev/null))
    if [[ ${#log_files[@]} -gt $MAX_LOG_FILES ]]; then
        for (( i=$MAX_LOG_FILES; i<${#log_files[@]}; i++ )); do
            if ! rm "${log_files[$i]}"; then
                echo "Error: Unable to remove old log file '${log_files[$i]}'."
            fi
        done
    fi
fi

2.6. 睡眠时间计算

为了实现精确的时间间隔，脚本将INTERVAL_MS分解为整数部分和小数部分，并使用printf确保小数部分为三位数，最后组合成sleep命令所需的格式。

bash 复制代码 
# 计算睡眠时间
integer_part=$(( INTERVAL_MS / 1000 ))
fractional_part=$(( INTERVAL_MS % 1000 ))
# 确保fractional_part为三位数，前面补零
fractional_part_padded=$(printf "%03d" "$fractional_part")
sleep_time="${integer_part}.${fractional_part_padded}"

# 按指定间隔休眠
sleep "$sleep_time"
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