第23章 定时器与休眠

间隔定时器
  1. #include <sys/time.h>
  3. int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value, struct itimerval *old_value);
  4. // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1
  5. // 如果不关心定时器的前一设置，可以置old_value为NULL
  6. // which的取值：
  7. ITIMER_REAL：以系统真实的时间来计算，它送出SIGALRM信号
  8. ITIMER_VIRTUAL：以该进程在用户态下花费的时间来计算，它送出SIGVTALRM信号
  9. ITIMER_PROF：以该进程在用户态下和内核态下所费的时间来计算，它送出SIGPROF信号
  10. // 对所有信号的默认处置是终止进程，除非希望如此，否则应该创建对应的信号处理函数
  12. struct itimerval 
  13. {
  14.     struct timeval it_interval; // 下一次延迟的时间，如果为0表示一次性定时器
  15.     struct timeval it_value;    // 第一次延迟的时间
  16. };
  18. struct timeval {
  19.     time_t      tv_sec;         /* seconds */
  20.     suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */
  21. };

可以在任意时刻调用getitimer，了解定时器的当前状态，距离下次到期的剩余时间：

  1. int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
  2. // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1
  3. // curr_value.it_value返回距离下一次到期所剩余的时间

使用setitimer和alarm创建的定时器可以跨越exec调用得以保存，但由fork创建的子进程并不继承；SUSv4已经废止了getitimer和setitimer，同时推荐POSIX定时器API

一次性定时器

系统调用alarm为创建一次性定时器提供了简单接口

  1. #include <unistd.h>
  3. unsigned int alarm(unsigned int seconds);
  4. // 总是返回成功，若之前设置了定时器返回剩余时间，若没有设置返回0
  5. // seconds表示定时器到期的秒数，到时会发送SIGALRM信号
  6. // 调用alarm()会覆盖定时器的前一个设置，调用alarm(0)可屏蔽当前定时器
  7. // 如果使用alarm()设置定时器且不设置信号处理函数，可以通过此技术确保杀死进程
  8. // Linux中，setitimver和alarm针对同一进程共享同一实时定时器
定时器的调度与精度

传统意义上的定时器精度受制于软件时钟频率，如19100微秒即19毫秒的定时器，如果jiffy（软件时钟周期）为4毫秒，实际定时器每隔20毫秒才会过期，可通过内核配置CONFIG_HIGH_RES_TIMERS选择支持高分辨定时器，现代硬件平台，精度达到纳秒级别则已是司空见惯了

为阻塞操作设置超时

定时器的用途之一，为某个阻塞系统调用设置时间上限，具体步骤如下：

  1. 调用sigaction为SIGALRM创建处理函数，排除SA_RESTART标志以确保系统调用不会重新启动
  2. 调用alarm或setitimer创建定时器
  3. 执行阻塞系统调用
  4. 系统调用返回后，再次调用alarm或setitimer屏蔽定时器
  5. 检查系统调用失败时是否将errno置为了EINTR（系统调用遭到中断）
    暂停运行（休眠）一段时间
    低分辨率休眠： ```

    include

unsigned int sleep(unsigned int seconds); // 返回值：若成功，返回0，若因信号中断，返回剩余秒数 // Linux将sleep实现为对nanosleep的调用

  1. 高分辨率休眠：

define _POSIX_C_SOURCE 199309

include

int nanosleep(const struct timespec request, struct timespec remain); // 返回值：若成功，返回0，若出错或被中断，返回-1 // 若参数remain不是NULL，则其返回剩余的休眠时间，可利用该值在系统调用重启后完成休眠 // SUSv3明确规定不得使用信号实现该函数，意味着可以与alarm和setitimer混用，而不会危及移植性 // 可以通过信号处理函数将其中断，此时返回-1，errno置为EINTR

struct timespec { time_t tv_sec; long tv_nsec; // 纳秒级别 }

  1. ##### POSIX时钟
  2. Linux中，调用此API需要以-lrt选项进行编译，从而与librt函数库链接<br />获取时钟的值：

define _POSIX_C_SOURCE 199309

include

int clock_gettime(clcokid_t clockid, struct timespec tp); int clock_getres(clockid_t clockid, struct timespec res); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1 // clockid的类型： CLOCK_REALTIME：可设定的系统级实时时钟 CLOCK_MONOTONIC：不可设定的恒定态时钟（适用于无法忍受系统时钟发生跳跃性变化） CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID：进程CPU时间的时钟 CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID：线程CPU时间的时钟

  1. 设置时钟的值：

int clock_settime(clcokid_t clockid, const struct timespec *tp); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1 // 特权级进程可设置CLOCK_REALTIME类型时钟

  1. 获取特定进程的时钟ID：

define _XOPEN_SOURCE 600

include

int clock_getcpuclockid(pid_t pid, clockid_t *clockid); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回负值 // pid为0时，返回调用进程的CPU时间时钟ID

  1. 获取特定线程的时钟ID：

define _XOPEN_SOURCE 600

include

include

int pthread_getcpuclockid(pthread_t tid, clockid_t *clockid); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回负值

  1. 高分辨率休眠的改进版：clock_nanosleep

define _XOPEN_SOURCE 600

include

int clock_nanosleep(clcokid_t clockid, int flags, const struct timespec request, struct timespec remain); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回负值

  1. ##### POSIX间隔定时器
  2. 使用setitimer来设置经典UNIX间隔定时器，有些制约：
  4. - 类型只能是ITIMER_REAL、ITIMER_VIRTUAL、ITIMER_PROF的一个
  5. - 只能通过发送信号方式通知定时器到期，也不能改变到期时产生的信号
  6. - 如果一个间隔定时器到期多次，且相应信号遭到阻塞，只会调用一次信号处理函数，无法确定定时器溢出情况
  7. - 定时器分辨率只能到达微秒级
  9. 为了突破这些限制，可使用Linux定义的实现了POSIX.1b的一套API，需要编译时添加-lrt选项，由fork创建的子进程不会继承POSIX定时器，调用exec期间或进程终止时将停止并删除定时器<br />创建定时器：

define _POSIX_C_SOURCE 199309

include

include

int timer_create(clockid_t clockid, struct sigevent evp, timer_t timerid); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1 // clockid是CLOCK_REALTIME、CLOCK_MONOTONIC、CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID、CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID、CLOCK_BOOTTIME、CLOCK_REALTIME_ALARM、CLOCK_BOOTTIME_ALARM的一种 // 返回时将定时器句柄保存在timerid，供后续调用 // 参数evp决定到期时程序的通知方式，若是NULL，表明将sigev_notify置为SIGEV_SIGNAL，同时将sigev_signo置为SIGALRM，并将sigev_value.sival_int置为定时器ID

union sigval {
int sival_int; / 通知时的伴随数据：Integer value / void sival_ptr; / 通知时的伴随数据：Pointer value */ };

struct sigevent { int sigev_notify; / 通知方式 / int sigev_signo; / 通知信号 / union sigval sigev_value; / 通知时的伴随数据 /

  1. void (*sigev_notify_function) (union sigval);/* SIGEV_THREAD通知时调用的函数 */
  2. void *sigev_notify_attributes;/* 线程属性 */
  3. pid_t sigev_notify_thread_id; /* 线程ID，可用gettid或clone的返回值赋值 */

};

SIGEV_NONE：空的提醒，事件发生时不做任何事情 SIGEV_SIGNAL：向进程发送sigev_signo中指定的信号 SIGEV_THREAD：通知进程在一个新的线程中启动sigev_notify_function函数，函数的实参是sigev_value SIGEV_THREAD_ID：发送sigev_signo信号给sigev_notify_thread_id标识的线程

  1. 配备和解除定时器：

int timer_settime(timer_t timerid, int flags, const struct itimerspec value, const struct itimerspec old_value); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1 // 若flags为0，将value.it_value视为始于timer_settime调用时间点的相对值 // 若flags为TIMER_ABSTIME，那么value.it_value是一个绝对时间 // 要解除定时器，需要将value.it_value所有字段设置为0

struct itimerspec { struct timespec it_interval; //定时器周期值 struct timespec it_value; //定时器到期值 };

  1. 获取定时器的当前值：

int timer_settime(timer_t timerid, struct itimerspec *curr_value); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1 // curr_value.it_value返回定时器下次到期的剩余时间 // 若curr_value.it_value两个字段都是0，那么定时器处于停止状态 // 若curr_value.it_interval两个字段都是0，那么定时器仅在curr_value.it_value指定的时间到期一次

  1. 删除定时器：

int timer_delete(timer_t timerid); // 返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1 // 对于已经启动的定时器，删除前会自动停止 // 若因定时器到期已经存在待定pending信号，那么信号保持这个状态 // 当进程终止时，会自动删除所有定时器

  1. 通过信号发出通知：<br />如果要用信号来接收定时器通知，处理信号既可以选择信号处理函数（注册时须注明SA_SIGINFO标志），也可以使用sigwaitinfo或sigtimedwait，借助这两个方法可以获取siginfo_t结构，除了si_signo、si_code、si_value之外，Linux还提供了非标准字段si_overrun表示定时器溢出个数<br />定时器溢出：<br />如果选择信号通知，在捕获或接收信号之前，定时器到期多次，可能是因为进程再次获得调度前的延迟所致；即使使用实时信号，也不会对该信号的多个实例进行排队，相反，接收信号后，不管通过信号处理函数还是sigwaitinfo都可以获取定时器溢出个数，有两种方式获取：
  3. - 调用timer_getoverrun，这是SUSv3指定的方法
  4. - 伴随数据siginfo_t中的si_overrun字段，这是Linux的扩展方法，无法移植
  6. 每次收到定时器信号后，都会重置定时器溢出计数，若自处理或接收定时器信号后，定时器仅到期一次，则溢出计数为0，即无溢出

define _POSIX_C_SOURCE 199309

include

int timer_getoverrun(timer_t timerid); // 返回值：若成功，返回溢出计时器个数，若出错，返回-1 // 属于异步信号安全函数

  1. 通过线程来通知：<br />SIGEV_THREAD标志允许程序从一个独立的线程中调用函数获取定时器到期通知
  2. ##### 利用文件描述符进行通知的定时器：timerfd API
  3. Linux特有的timerfd API，可以从文件描述符中读取创建定时器的到期通知，也可以使用select、poll和epoll将这种文件描述符和其他描述符一起监控，所以非常实用<br />创建定时器：

include

int timerfd_create(int clockid, int flags); // 返回值：若成功，返回文件描述符，若出错，返回-1 // clockid支持CLOCK_REALTIME（系统实时时间,随系统实时时间改变而改变,即从UTC1970-1-1 0:0:0开始计时,中间时刻如果系统时间被用户改成其他,则对应的时间相应改变）、CLOCK_MONOTONIC（从系统启动这一刻起开始计时,不受系统时间被用户改变的影响） // flags支持TFD_CLOEXEC和TFD_NONBLOCK

  1. 启动或停止定时器：

int timerfd_settime(int fd, int flags, const struct itimerspec new_value, struct itimerspec old_value); // 返回值：若成功，返回文件描述符，若出错，返回-1 // 参数flags为1代表设置的是绝对时间（TFD_TIMER_ABSTIME 表示绝对定时器）,为0代表相对时间 // 如果不关心定时器前一设置，可将old_value置为NULL // 一旦启动了定时器，就可以通过read读取定时器信息

  1. 获取定时器信息：

int timerfd_gettime(int fd, struct itimerspec *curr_value); // 返回值：若成功，返回文件描述符，若出错，返回-1 // curr_value.it_value表示距离下次超时的时间，如果两个值为0，表示计时器已经解除 // curr_value.it_interval表示间隔时间，如果两个值都是0，表示定时器只会到期一次

``` 调用fork期间，子进程会继承timerfd_create所创建文件描述符的拷贝，这些文件描述符也能跨域exec得以保存（除非设置了运行时关闭标志）