在实际项目中，一个常用的做法是新起一个线程，专门管理定时器，定时来源使用rtc、select等比较精确的来源，定时器超时后向主要的work线程发消息即可，或者使用timefd接口。

定时器的实现原理

定时器的实现依赖的是CPU时钟中断，时钟中断的精度就决定定时器精度的极限。一个时钟中断源如何实现多个定时器呢？对于内核，简单来说就是用特定的数据结构管理众多的定时器，在时钟中断处理中判断哪些定时器超时，然后执行超时处理动作。而用户空间程序不直接感知CPU时钟中断，通过感知内核的信号、IO事件、调度，间接依赖时钟中断。用软件来实现动态定时器常用数据结构有：时间轮、最小堆和红黑树。下面就是一些知名的实现：

Linux内核的 Hierarchy 时间轮算法

Asio C++ Library最小堆定时器实现

nginx 使用红黑树结构管理定时器事件

内核定时器时间轮算法

单层时间轮算法的原理比较简单：用一个数组表示时间轮，每个时钟周期，时间轮 current 往后走一个格，并处理挂在这个格子的定时器链表，如果超时则进行超时动作处理，然后删除定时器，没有则剩余轮数减一。原理如图：

Linux 内核则采用的是 Hierarchy 时间轮算法，Hierarchy 时间轮将单一的 bucket 数组分成了几个不同的数组，每个数组表示不同的时间精度，Linux 内核中用 jiffies 记录时间，jiffies记录了系统启动以来经过了多少tick。

Hierarchy 时间轮的原理大致如下，下面是一个时分秒的Hierarchy时间轮，不同于Linux内核的实现，但原理类似。对于时分秒三级时间轮，每个时间轮都维护一个cursor，新建一个timer时，要挂在合适的格子，剩余轮数以及时间都要记录，到期判断超时并调整位置。原理图大致如下:

定时器的使用方法

在Linux 用户空间程序开发中，常用的定期器可以分为两类：

执行一次的单次定时器 single-short；

循环执行的周期定时器 Repeating Timer；

其中，Repeating Timer 可以通过在Single-Shot Timer 终止之后，重新再注册到定时器系统里来实现。当一个进程需要使用大量定时器时，同样利用时间轮、最小堆或红黑树等结构来管理定时器。而时钟周期来源则需要借助系统调用，最终还是从时钟中断。Linux用户空间程序的定时器可用下面方法来实现：

通过alarm()或setitimer()系统调用，非阻塞异步，配合SIGALRM信号处理；

通过select()或nanosleep()系统调用，阻塞调用，往往需要新建一个线程；

通过timefd()调用，基于文件描述符，可以被用于 select/poll 的应用场景；

通过RTC机制, 利用系统硬件提供的Real Time Clock机制, 计时非常精确；

上面方法没提sleep()，因为Linux中并没有系统调用sleep()，sleep()是在库函数中实现，是通过调用alarm()来设定报警时间，调用sigsuspend()将进程挂起在信号SIGALARM上，而且sleep()也只能精确到秒级上，精度不行。当使用阻塞调用作为定时周期来源时，可以单独启一个线程用来管理所有定时器，当定时器超时的时候，向业务线程发送定时器消息即可。

一个基于时间轮的定时器简单实现

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#define TIME_WHEEL_SIZE 8

typedef void (*func)(int data);

struct timer_node {

struct timer_node *next;

int rotation;

func proc;

int data;

};

struct timer_wheel {

struct timer_node *slot[TIME_WHEEL_SIZE];

int current;

};

struct timer_wheel timer = {{0}, 0};

void tick(int signo)

{

// 使用二级指针删进行单链表的删除

struct timer_node **cur = &timer.slot[timer.current];

while (*cur) {

struct timer_node *curr = *cur;

if (curr->rotation > 0) {

curr->rotation--;

cur = &curr->next;

} else {

curr->proc(curr->data);

*cur = curr->next;

free(curr);

}

}

timer.current = (timer.current + 1) % TIME_WHEEL_SIZE;

alarm(1);

}

void add_timer(int len, func action)

{

int pos = (len + timer.current) % TIME_WHEEL_SIZE;

struct timer_node *node = malloc(sizeof(struct timer_node));

// 插入到对应格子的链表头部即可, O(1)复杂度

node->next = timer.slot[pos];

timer.slot[pos] = node;

node->rotation = len / TIME_WHEEL_SIZE;

node->data = 0;

node->proc = action;

}

// test case1: 1s循环定时器

int g_sec = 0;

void do_time1(int data)

{

printf("timer %s, %d\n", __FUNCTION__, g_sec++);

add_timer(1, do_time1);

}

// test case2: 2s单次定时器

void do_time2(int data)

{

printf("timer %s\n", __FUNCTION__);

}

// test case3: 9s循环定时器

void do_time9(int data)

{

printf("timer %s\n", __FUNCTION__);

add_timer(9, do_time9);

}

int main()

{

signal(SIGALRM, tick);

alarm(1); // 1s的周期心跳

// test

add_timer(1, do_time1);

add_timer(2, do_time2);

add_timer(9, do_time9);

while(1) pause();

return 0;

}

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