淺析Linux應(yīng)用開發(fā)之定時器

間隔定時器

#include 

int setitimer(int which,const struct itimerval* new_value,struct itimerval* old_value);

setitimer() 創(chuàng)建一個間隔式定時器，這種定時器會在未來某個時間點到期，并于此后(可選擇地)每間隔一段時間到期一次

which 可以指定以下值：

ITIMER_REAL ：創(chuàng)建以真實時間倒計時的定時器，到期會產(chǎn)生 SIGALARM 信號并發(fā)送給進程

ITIMER_VIRTUAL：創(chuàng)建以進程虛擬時間(用戶模式下的 CPU 時間) 倒計時的定時器，到期時會產(chǎn)生信號 SIGVTALRM

ITIMER_PROF：創(chuàng)建一個 profiling 定時器，以進程時間(用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài) CPU 時間的總和)倒計時，到期時，則會產(chǎn)生 SIGPROF 信號

針對所有這些信號的默認處置均會終止進程，除非真地期望如此，否則就需要針對這些定時器信號創(chuàng)建處理器函數(shù)。

struct itimerval{
    struct timeval it_interval; /* Interval for periodic timer */
    struct timeval it_value;    /* Current value(time until next expiration) */
};

struct timeval{
    time_t tv_sec;      /* Seconds */
    suseconds_t tv_usec;    /* Microseconds */
};

new_value 下屬的 it_value 指定了距離定時器到期的延遲時間，it_interval 則說明該定時器是否是周期性定時器，如果 it_interval 的兩個字段都是 0，那么該定時器屬于 it_value 所指定的時間間隔后到期的一次性定時器，只要 it_interval 中的任一字段非0，那么在每次定時器到期之后，都會將定時器重置為在指定間隔后再次到期

進程只能擁有上述3種定時器的一種，當?shù)诙握{(diào)用 settimer() 時，修改已有定時器的屬性要符合參數(shù) which 中的類型，如果調(diào)用 setitimer() 時將 new_value.it_value 的兩個字段均設(shè)置為 0，那么會屏蔽任何已有的定時器

若 old_value 不為 NULL，則以其所指向的 itimerval 結(jié)構(gòu)來返回定時器的前一設(shè)置：

如果 old_value.it_value 的兩個字段值均為 0，那么該定時器之前被設(shè)置處于屏蔽狀態(tài)

如果 old_value.it_interval 的兩個字段值均為 0，那么該定時器之前被設(shè)置為歷經(jīng) old_value.it_value 指定時間到期的一次性定時器

對需要在新定時器到期后將其還原的情況而言，獲取定時器的前一設(shè)置就很重要，如果不關(guān)心定時器的前一設(shè)置，可以將 old_value 設(shè)置為 NULL

定時器會從初始值 it_value 倒計時一直到 0 為止，遞減為 0 時，會將相應(yīng)信號發(fā)送給進程，隨后，如果時間間隔值 it_interval 非0，那么會再次將 it_value 加載到定時器，重新開始向 0 倒計時

可以在任何時刻調(diào)用 getitimer()，以了解定時器的當前狀態(tài)，距離下次到期的剩余時間：

#include 

int getitimer(int which,struct itimerval* curr_value);

getitimer() 返回由 which 指定定時器的當前狀態(tài)，并置于 curr_value 指向的緩沖區(qū)中

使用 setitimer() 和 alarm() 創(chuàng)建的定時器可以跨越 exec() 調(diào)用而得以保存，但由 fork() 創(chuàng)建的子進程并不繼承該定時器。

更為簡單的定時器接口：alarm()

#include 

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

seconds 表示定時器到期的秒數(shù)，到期時向調(diào)用進程發(fā)送 SIGALRM 信號

調(diào)用 alarm() 會覆蓋對定時器的前一個設(shè)置，調(diào)用 alarm(0) 可以屏蔽現(xiàn)有定時器

返回值是定時器前一設(shè)置距離到期的剩余描述，如果之前并無設(shè)置，則返回 0

setitimer() 和 alarm() 之間的交互

Linux 中 alarm() 和 setitimer() 針對同一進程共享一個實時定時器，無論調(diào)用兩者之中的哪個完成了對定時器的前一設(shè)置，同樣可以調(diào)用二者中的任一函數(shù)來改變這一設(shè)置。

程序設(shè)置實時定時器時，最好選用二者之一。

定時器的調(diào)度和精度

內(nèi)核配置項 CONFIG_HIGH_RES_TIMERS 可以支持高分辨率定時器，使得定時器的精度不受軟件時鐘周期的影響，可以達到底層硬件所支持的精度，在現(xiàn)代硬件平臺上，精度達到微秒級別是司空見慣的。

為阻塞操作設(shè)置超時

實時定時器的用途之一就是為某個阻塞系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置其處于阻塞狀態(tài)的時間上限。

例如，處理 read() 操作：

調(diào)用 sigaction() 創(chuàng)建 SIGALRM 信號的處置函數(shù)，排除 SA_RESTART 標志以確保系統(tǒng)調(diào)用不會重新啟動

調(diào)用 alarm() 或者 setitimer() 創(chuàng)建定時器，設(shè)置超時時間

執(zhí)行阻塞的系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用返回，再次調(diào)用 alarm() 或 setitimer() 屏蔽定時器

檢查系統(tǒng)調(diào)用失敗是否設(shè)置 errno 為 EINTR ，即系統(tǒng)調(diào)用遭到中斷

暫停運行一段固定時間

低分辨率休眠：sleep()

#include 

unsigned int sleep(unsigned int seconds);

sleep() 可以暫停調(diào)用進程執(zhí)行 seconds 秒，或者在捕獲信號后恢復(fù)進程的執(zhí)行

如果休眠正常結(jié)束，返回0，如果因信號中斷休眠，返回剩余的秒數(shù)

考慮到一致性，應(yīng)該避免 sleep() 和 alarm() 以及 setitimer() 之間的混用，Linux 將 sleep() 實現(xiàn)為對 nanosleep() 的調(diào)用，而有些老系統(tǒng)使用 alarm() 和 SIGALRM 信號處理函數(shù)實現(xiàn) sleep()

高分辨率休眠 nanosleep()

#include 

int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);

nanosleep() 與 sleep() 相似，但是分辨率更高

struct timespec：

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

規(guī)范規(guī)定不得使用信號實現(xiàn)該函數(shù)，這意味著 nanosleep() 與 alarm() 和 setitimer() 混用，也不會危及程序的可移植性

盡管 nanosleep() 沒有使用信號，但還是可以通過信號處理器函數(shù)將其中斷，此時將返回 -1，并設(shè)置錯誤 EINTR，如果 remain 不為 NULL，則該指針所指向的緩沖區(qū)將返回剩余的休眠時間，可以利用這個返回值重啟該系統(tǒng)調(diào)用以完成休眠，但是由于返回的 remain 時間未必是軟件時鐘間隔的整數(shù)倍，故而每次重啟都會遭受取整，其結(jié)果是，每次重啟后的休眠時間都要長于前一調(diào)用返回的 remain 值，在信號接收頻率很高的情況下，進程的休眠可能永遠也結(jié)束不了，使用 TIMER_SBSTIME 選項的 clock_nanosleep() 可以避免這個問題

POSIX 時鐘

Linux 中需要使用 realtime，實時函數(shù)庫，需要鏈接 librt 即需要加入 -lrt 選項。

獲取時鐘的值

#include 

int clock_getres(clockid_t clk_id, struct timespec *res);
int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);

clock_gettime() 針對參數(shù) clk_id 所指定的時鐘返回時間，返回的時間，置于 tp 指向的結(jié)構(gòu)中

clockid_t 是 SUSv3 規(guī)范定義的數(shù)據(jù)類型，用于表示時鐘標識符：

CLOCK_REALTIME 時鐘是一種系統(tǒng)級時鐘，用于度量真實時間，它的設(shè)置是可以變更的

CLOCK_MONOTONIC 時鐘對時間的度量始于"未予規(guī)范的過去某一時間點"，系統(tǒng)啟動后就不會改變它，Linux 上，這種時鐘對時間的測量始于系統(tǒng)啟動

CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID 時鐘測量調(diào)用進程所消耗的用戶和系統(tǒng) CPU 時間

CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID 時鐘測量調(diào)用線程所消耗的用戶和系統(tǒng) CPU 時間

設(shè)置時鐘的值

#define _POSIX_C_SOURCE 199309L
#include 

int clock_settime(clockid_t clk_id, const struct timespec *tp);

clock_settime() 利用 tp 指向緩沖區(qū)中的時間來設(shè)置由 clockid 指定的時鐘

如果 tp 指向的時間并非 clock_getres() 所返回的時鐘分辨率的整數(shù)倍，時間會向下取整

特權(quán)級進程可以設(shè)置 CLOCK_REALTIME 時鐘，該時鐘的初始值通常自 Epoch 以來的時間，其他時鐘類型不可更改

獲取特定進程或線程的時鐘 ID

要測量特定進程或線程消耗的 CPU 時間，首先要獲取其時鐘 ID：

#define _XOPEN_SOURCE 600
#include 

int clock_getcpuclockid(pid_t pid, clockid_t *clock_id);

clock_getcpuclockid 將隸屬于 pid 進程的 CPU 時間時鐘的標識符置于 clock_id 指針指向的緩沖區(qū)中

#define _XOPEN_SOURCE 600
#include 
#include 

int pthread_getcpuclockid(pthread_t thread, clockid_t *clock_id);

pthread_getcpuclockid() 是 clock_getcpuclockid() 的 POSIX 線程版，返回的標識符所標識的時鐘用于度量調(diào)用進程中指定線程消耗的 CPU 時間

高分辨率休眠的改進版

#define _XOPEN_SOURCE 600
#include 

int clock_nanosleep(clockid_t clock_id, int flags,const struct timespec *request,struct timespec *remain);

默認情況下，flags 是0，request 指定的休眠間隔時間是相對時間，如果 flags 設(shè)置為 TIMER_ABSTIME ，request 則表示 clock_id 所測量的絕對時間，這個特性對于需要精確休眠一段指定時間的應(yīng)用程序至關(guān)重要，以相對時間進行休眠，進程可能執(zhí)行到一半就被占先了，結(jié)果休眠的時間要比預(yù)期的久

對于那些被信號處理器中斷并使用循環(huán)重啟休眠的進程來說，"嗜睡" 問題尤其明顯，如果以高頻接收信號，那么按相對時間休眠的進程在休眠時間上會有較大誤差，可以通過如下方式避免嗜睡：

先調(diào)用 clock_gettime() 獲取時間，再加上期望休眠的時間量

再以 TIMER_ABSTIME 標志調(diào)用 clock_nanosleep() 函數(shù)，指定了 TIME_ABSTIME 時，不需要使用參數(shù) remain

信號處理器程序中斷了 clock_nanosleep() 調(diào)用，再次調(diào)用該函數(shù)來重啟休眠時，request 參數(shù)不變

struct timespec request;

if(clock_gettime(CLOCK_REALTIME,&request) == -1)
    errExit("clock_gettime");

request.tv_sec += 20;  /* sleep for 20 seconds from now*/

s = clock_nanosleep(CLOCK_REALTIME,TIMER_ABSTIME,&request,NULL);
if(s != 0)
{
    if(s == EINTR)
        printf("Interrupted by signal handler
");
    else 
        errExit("clock_nanosleep");
}

POSIX 間隔式定時器

使用 settimer() 來設(shè)置經(jīng)典 UNIX 間隔式定時器，會收到如下制約：

針對 ITIMER_REAL，ITIMER_VIRTUAL 和 ITIMER_PROF 這 3 類定時器，每種智能設(shè)置一個

只能通過發(fā)送信號的方式通知定時器到期，另外也不能改變到期時產(chǎn)生的信號

如果一個間隔式定時器到期多次，且相應(yīng)信號遭到阻塞時，那么會只調(diào)用一次信號處理器函數(shù)，換言之，無從知曉是否出現(xiàn)定時器溢出的情況

定時器的分辨率只能達到微秒級

POSIX.1b 定義了一套 API 來突破這些限制，主要包含如下幾個階段：

timer_create() 創(chuàng)建一個新的定時器，并定義其到期時對進程的通知方法

timer_settime() 啟動或者停止一個定時器

timer_delete() 刪除不再需要使用的定時器

fork() 創(chuàng)建的子進程不會繼承 POSIX 定時器，調(diào)用 exec() 期間亦或是進程終止時將停止并刪除定時器。

使用 POSIX 定時器的 API 程序編譯時需要使用 -lrt 選項。

創(chuàng)建定時器

#define _POSIX_C_SOURCE 199309L
#include 
#include 

int timer_create(clockid_t clockid, struct sigevent *sevp,timer_t *timerid);

timer_create() 創(chuàng)建一個新的定時器，并以 clockid 指定的時鐘進行時間度量

clockid 可以是 SUSv3 規(guī)范定義的類型，也可以采用 clock_getcpuclockid() 或 pthread_getcpuclockid() 返回的 clockid 值

函數(shù)返回時，timerid 指向的緩沖區(qū)放置定時器句柄，供后續(xù)調(diào)用中指代該定時器之用

sevp 可決定定時器到期時，對應(yīng)應(yīng)用程序的通知方式，指向 struct sigevent：

union sigval {      /* Data passed with notification */
   int   sival_int;     /* Integer value */
   void  *sival_ptr;     /* Pointer value */
};

struct sigevent {
   int      sigev_notify; /* Notification method */
   int      sigev_signo;  /* Notification signal */
   union sigval sigev_value;  /* Data passed with notification */
   void    (*sigev_notify_function) (union sigval);  /* Function used for thread notification (SIGEV_THREAD) */
   void     *sigev_notify_attributes;   /* Attributes for notification thread (SIGEV_THREAD) */
   pid_t     sigev_notify_thread_id;    /* ID of thread to signal (SIGEV_THREAD_ID) */
};

sigev_notify 字段的值：

SIGEV_NONE：不提供定時器的到期通知，進程可以使用 timer_gettime() 來監(jiān)控定時器的運轉(zhuǎn)情況

SIGEV_SIGNAL：定時器到期時，為進程生成指定于 sigev_signo 中的信號，如果 sigev_signal 為實時信號，那么 sigev_value 字段則指定了信號的伴隨數(shù)據(jù)，通過 siginfo_t 結(jié)構(gòu)的 si_value 可獲取這一數(shù)據(jù)

SIGEV_THREAD：定時器到期時，會調(diào)用由 sigev_notify_function 字段指定的函數(shù)，調(diào)用該函數(shù)類似于調(diào)用新線程的啟動函數(shù)

SIGEV_THREAD_ID：與 SIGEV_THREAD 相類似，只是發(fā)送信號的目標線程 ID 要與 sigev_notify_thread_id 相匹配

配備和解除定時器

#define _POSIX_C_SOURCE 199309L
#include 

int timer_settime(timer_t timerid, int flags,const struct itimerspec *new_value,struct itimerspec *old_value);

timer_settime() 的參數(shù) timerid 是一個定時器句柄，由之前對 timer_create() 的調(diào)用返回

new_value 包含定時器的新設(shè)置，old_value 返回定時器的前一設(shè)置，如果對前一個設(shè)置不感興趣，可以設(shè)置為 NULLL

struct timespec {
   time_t tv_sec;         /* Seconds */
   long  tv_nsec;        /* Nanoseconds */
};

struct itimerspec {
   struct timespec it_interval;  /* Timer interval */
   struct timespec it_value;   /* Initial expiration */
};

it_value 指定了定時器首次到期的時間，it_interval 任意一個字段非0，那么就是一個周期性定時器，如果都是0，那么這個定時器將只到期一次

flags 如果是0，會將 value.it_value 視為始于 timer_settime() 調(diào)用時間點的相對值，如果 flags 設(shè)為 TIMER_ABSTIME，那么 value.it_value 則是一個絕對時間

為了啟動定時器，需要調(diào)用函數(shù) timer_settime()，并將 value.it_value 的一個或者全部字段設(shè)置為非0，如果之前曾經(jīng)配備過定時器，則 timer_settime() 會將之前的設(shè)置值替換掉

如果定時器的值和間隔時間并非對應(yīng)時鐘分辨率的整數(shù)倍，那么會對這些值向上取整

要解除定時器，需要調(diào)用 timer_settime()，并將 value.it_value 的所有字段設(shè)置為 0

獲取定時器的當前值

#define _POSIX_C_SOURCE 199309L
#include 

int timer_gettime(timer_t timerid, struct itimerspec *curr_value);

timer_gettime() 返回由 timerid 指定的 POSIX 定時器的間隔以及剩余時間

如果返回結(jié)構(gòu) curr_value.it_value 的兩個字段都是0，表示定時器處于停止狀態(tài)，如果 curr_value.it_interval 的兩個字段都是0，那么該定時器僅在 curr_value.it_value 給定的時間到期過一次

刪除定時器

每個 POSIX 定時器都會消耗少量的系統(tǒng)資源，一旦使用完畢，應(yīng)當及時釋放這些資源：

#define _POSIX_C_SOURCE 199309L
#include 

int timer_delete(timer_t timerid);

對于已啟動的定時器，會在移除之前自動將其停止

進程終止時，會自動刪除所有定時器

通過信號發(fā)出通知

如果選擇通過信號來接收定時器通知，那么處理這些信號時既可以采用信號處理器函數(shù)，也可以調(diào)用 sigwaitinfo() 或是 sigtimerdwait()。接收進程借助于這兩種方法可以獲取一個 siginfo_t 結(jié)構(gòu)：

si_signo：包含由定時器產(chǎn)生的信號

si_code：置為 SI_TIMER，表示這是因為 POSIX 定時器到期而產(chǎn)生的信號

si_value：設(shè)置為以 timer_create()創(chuàng)建定時器在 evp.sigev_value 中提供的值

為 evp.sigev_value 指定不同的值，可以將到期時發(fā)送同類信號的不同定時器區(qū)分開。

Linux 還為 siginfo_t 結(jié)構(gòu)提供了如下非標準字段：

si_overrun：包含了定時器溢出個數(shù)

定時器溢出

假設(shè)已經(jīng)選擇通過信號傳遞的方式來接收定時器到期的通知。在捕獲或接收相關(guān)信號之前定時器到期多次，或者不論直接調(diào)用 sigprocmask() 還是在信號處理器函數(shù)中暗中處理，也都有可能堵塞相關(guān)信號的發(fā)送，那如何知道這些定時器溢出？

接收到定時器信號之后，有兩種方法可以獲取定時器的溢出值：

調(diào)用 timer_getoverrun()

使用隨信號一同返回的結(jié)構(gòu) siginfo_t 中的 si_overrun 字段值，這種方法可以避免 timer_getoverrun() 調(diào)用開銷，但是這種方法是 Linux 擴展方法，無法移植

#define _POSIX_C_SOURCE 199309L
#include 

int timer_getoverrun(timer_t timerid);

每次收到定時器信號后，都會重置定時器溢出計數(shù)，若自處理或接收定時器信號之后，定時器僅到期一次，則溢出計數(shù)為 0

返回由參數(shù) timerid 指定的定時器的溢出值

timer_getoverrun() 是異步信號安全的函數(shù)，故而在信號處理器函數(shù)內(nèi)部調(diào)用也是安全的

通過線程來通知

SIGEV_THREAD 標志允許程序從一個獨立的線程中調(diào)用函數(shù)來獲取定時器到期通知。

利用文件描述符進行通知的定時器

Linux 內(nèi)核特有的創(chuàng)建定時器的 timerfd API，可從文件描述符中讀取其所創(chuàng)建定時器的到期通知。

#include 

int timerfd_create(int clockid, int flags);

timerfd_create() 創(chuàng)建一個新的定時器對象，并返回一個指代該對象的文件描述符

clockid 的值，可以是：CLOCK_REALTIME 或者 CLOCK_MONOTONIC

flags 最初必須設(shè)置為0現(xiàn)在支持：

TFD_CLOEXEC：為新的文件描述符設(shè)置運行時關(guān)閉標志 FD_CLOEXEC 與 open() 的 O_CLOEXEC 適用于相同的情況

TFD_NONBLOCK：為底層的打開文件描述符設(shè)置 O_NONBLOCK 標志，隨后的讀操作將是非阻塞的

timerfd_create() 創(chuàng)建的定時器使用完畢后，應(yīng)該調(diào)用 close() 關(guān)閉相應(yīng)的文件描述符，以便內(nèi)核釋放相應(yīng)的資源

#include 

int timerfd_settime(int fd, int flags,const struct itimerspec *new_value,struct itimerspec *old_value);

timerfd_settime() 可以啟動或解除由文件描述符 fd 指代的定時器

new_value 為指定的新設(shè)置，old_value 為前一設(shè)置，如果不關(guān)心前一個設(shè)置可以將其設(shè)置為 NULL

flags 參數(shù)可以是0，此時將 new_value.it_value 的值視為相對于調(diào)用 timerfd_settime() 的相對時間點，也可以設(shè)置為 TFD_TIMER_ABSTIME 將其視為從時鐘0點開始測量的絕對時間點

#include 

int timerfd_gettime(int fd, struct itimerspec *curr_value);

timerfd_gettime() 返回文件描述符 fd 所標識的定時器間隔和剩余時間

如果返回的 curr_value.it_value 字段都是0，那么該定時器已經(jīng)被解除，如果返回的結(jié)構(gòu) curr_value.it_interval 中的兩個字段都是0，那么定時器只會到期一次，到期時間在 curr_value.it_value 中給出

timerfd 與 fork() 以及 exec() 之間的交互

調(diào)用 fork() 期間，子進程會繼承 timerfd_create() 所創(chuàng)建的文件描述符的拷貝。

timerfd_create() 創(chuàng)建額度文件描述符能夠跨越 exec() 得以保存，除非將描述符設(shè)置為運行時關(guān)閉，已配備的定時器在 exec() 之后會繼承生成到期通知。

從 timerfd 文件描述符讀取

一旦以 timer_settime() 啟動了定時器，就可以從相應(yīng)文件描述符中調(diào)用 read() 來讀取定時器的到期信息，處于這一目的，傳給 read() 的緩沖區(qū)必須滿足容納一個 uint64_t 類型的要求。

在上次使用 timerfd_settime() 修改設(shè)置以后，或者是最后一次執(zhí)行 read() 后，如果發(fā)生了一起或多起定時器到期時間，那么 read() 立即返回，返回的緩沖區(qū)中包含了到期的次數(shù)。

如果并無定時器到期，read() 將會阻塞至下一個到期。

也可以執(zhí)行 fcntl() 設(shè)置 O_NONBLOCK 標志，這時的讀動作將是非阻塞的，如果沒有定時器到期，則返回，設(shè)置錯誤 EAGAIN。

可以使用 select()，poll() 和 epoll() 對 timerfd 文件描述符進行監(jiān)控，如果定時器到期，則將對應(yīng)的文件描述符標記為可讀。

審核編輯：劉清