Linux 定时器介绍

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曾经常去沙县小吃，就为了蹭上一碗4块钱的葱油拌面，听着边上的几位小哥老说

华仔，有软硬之分。

其实写代码也有这种讲究。

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在linux系统中定时器有分为软定时和硬件定时器，硬件定时器一般指的是CPU的一种底层寄存器，它负责按照固定时间频率产生中断信号，形成信号源。基于硬件提供的信号源，系统就可以按照信号中断来计数，计数在固定频率下对应固定的时间，根据预设的时间参数即可产生定时中断信号，这就是软定时。

这里主要讲软定时器，而硬件定时器涉及到硬件手册这里略过。

1. 利用内核节拍器相关定时器实现定时

linux内核有可调节的系统节拍，由于节拍依据硬件定时器的定时中断计数得来，节拍频率设定后，节拍周期恒定，根据节拍数可以推得精确时间。从系统启动以来记录的节拍数存放在全局变量jiffies中，系统启动时自动设置jiffies为0。

#include <linux/jiffies.h>

高节拍数可以计算更高的时间精度，但是会频繁触发系统中断，牺牲系统效率。

定义定时器

struct timer_list {
    struct list_head entry; // 定时器链表的入口
    unsigned long expires; // 定时器超时节拍数
    struct tvec_base *base; // 定时器内部值，用户不要使用
    void (*function)(unsigned long); // 定时处理函数
    unsigned long data; // 要传递给定时处理函数的参数
    int slack;
};

设置节拍数expires时，可以使用函数msecs_to_jiffies将毫秒值转化为节拍数。

初始化定时器

void init_timer(struct timer_list *timer);

注册定时器到内核，并启动

void add_timer(struct timer_list *timer);

删除定时器

int del_timer(struct timer_list *timer);

如果程序运行在多核处理器上，此函数有可能导致运行出错，建议改用del_timer_sync。

同步删除定时器

int del_timer_sync(struct timer_list *timer);

如果程序运行在多处理器上，此函数会等待其它处理器对此定时器的操作完成。另外，此函数不能用在中断上下文中。

修改定时值并启动定时器

int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);

注意：在应用层开发过程中，一般不会使用内核的函数来设定定时器。

2. 应用层的alarm闹钟

在应用层开发时，设置闹钟参数，并启动闹钟定时器非常方便

#include<unistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

注意：每个进程只允许设置一个闹钟，重复设置会覆盖前一个闹钟。

当时间到达seconds秒后，会有SIGALRM信号发送给当前进程，可以通过函数signal注册该信号的回调处理函数callback_fun

#include <signal.h>

typedef void (*sig_t)(int);
sig_t signal(int signum, sig_t handler);

3. 利用POSIX中内置的定时器接口

设定闹钟适用的情形比较简单，而为了更灵活地使用定时功能，可以用到POSIX中的定时器功能。

创建定时器

#include <time.h>

int timer_create(clockid_t clock_id, struct sigevent *evp, timer_t *timerid)

通过clock_id可以指定时钟源，evp传入超时通知配置参数，timerid返回被创建的定时器的id。evp如果为NULL，超时触发时，默认发送信号SIGALRM通知进程。

clock_id是枚举值，如下

CLOCK_REALTIME :Systemwide realtime clock.
CLOCK_MONOTONIC:Represents monotonic time. Cannot be set.
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID :High resolution per-process timer.
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID :Thread-specific timer.
CLOCK_REALTIME_HR :High resolution version of CLOCK_REALTIME.
CLOCK_MONOTONIC_HR :High resolution version of CLOCK_MONOTONIC.

结构体sigevent

union sigval
{
    int sival_int; //integer value
    void *sival_ptr; //pointer value
}

struct sigevent
{
    int sigev_notify; //notification type
    int sigev_signo; //signal number
    union sigval sigev_value; //signal value
    void (*sigev_notify_function)(union sigval);
    pthread_attr_t *sigev_notify_attributes;
}

类型timer_t

#ifndef _TIMER_T
#define _TIMER_T
typedef int timer_t; /* timer identifier type */
#endif /* ifndef _TIMER_T */

设置定时器，比如初次触发时间，循环触发的周期等。设置完成后启动定时器。

int timer_settime(timer_t timerid, int flags, const struct itimerspec *value, struct itimerspec *ovalue);

struct timespec{
   time_t tv_sec;
   long tv_nsec;  
};

struct itimerspec {
   struct timespec it_interval; 
   struct timespec it_value;   
}; 

获取定时剩余时间

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

获取定时器超限的次数

int timer_getoverrun(timer_t timerid);

定时器超时后发送的同一个信号如果挂起未处理，那么在下次超时发生后，上一个信号会丢失，这就是定时器的超限。

删除定时器

int timer_delete (timer_t timerid);

示例：超时触发信号

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

void sig_handler(int signo)
{
    time_t t;
    char str[32];

    time(&t);
    strftime(str, sizeof(str), "%T", localtime(&t));

    printf("handler %s::%d\n", str, signo);
}

int main()
{
    struct sigaction act;
    memset(&act, 0, sizeof(act));
    act.sa_handler = sig_handler;
    act.sa_flags = 0;

    sigemptyset(&act.sa_mask);
    if (sigaction(SIGUSR1, &act, NULL) == -1) {
        perror("fail to sigaction");
        exit(-1);
    }

    timer_t timerid;
    struct sigevent evp;
    memset(&evp, 0, sizeof(evp));
    // 定时器超时触发信号 SIGUSR1
    evp.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    evp.sigev_signo = SIGUSR1;
    if (timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timerid) == -1) {
        perror("fail to timer_create");
        exit(-1);
    }

    // 设置初始触发时间4秒，之后每2秒再次触发
    struct itimerspec its;
    its.it_value.tv_sec = 4;
    its.it_value.tv_nsec = 0;
    its.it_interval.tv_sec = 2;
    its.it_interval.tv_nsec = 0;
    if (timer_settime(timerid, 0, &its, 0) == -1) {
        perror("fail to timer_settime");
        exit(-1);
    }

    while(1);
    
    return 0;
}

上面的代码中注册信号响应回调用了函数sigaction，其实这里用函数signal也可以的。

示例：超时启动子线程

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

void timer_thread(union sigval v)
{
    time_t t;
    char str[32];

    time(&t);
    strftime(str, sizeof(str), "%T", localtime(&t));

    printf("timer_thread %s::%d\n", str, v.sival_int);
}

int main()
{
    timer_t timerid;
    struct sigevent evp;
    memset(&evp, 0, sizeof(evp));
    evp.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
    evp.sigev_value.sival_int = 123;
    evp.sigev_notify_function = timer_thread;
    if (timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timerid) == -1) {
        perror("fail to timer_create");
        exit(-1);
    }

    struct itimerspec its;
    its.it_value.tv_sec = 4;
    its.it_value.tv_nsec = 0;
    its.it_interval.tv_sec = 2;
    its.it_interval.tv_nsec = 0;
    if (timer_settime(timerid, 0, &its, 0) == -1) {
        perror("fail to timer_settime");
        exit(-1);
    }

    while(1);
    
    return 0;
}