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Linux高级--3.2.4.1 Linux timer的系统调用方案

article 2025/1/3 21:03:59

timerfd_create 是 Linux 系统中用于创建定时器的系统调用，它为每个定时器提供一个文件描述符，通过 epoll 或者 select 等机制来监听定时器的超时事件。该系统调用为定时器提供了方便的管理方式，特别适用于需要精确控制定时事件的场景。

1. `timerfd_create` 函数

timerfd_create 用于创建一个定时器文件描述符，该文件描述符可用于等待定时器超时。定时器的超时时间和行为通过 timerfd_settime 来配置。

函数原型：

#include <sys/timerfd.h>

int timerfd_create(int clockid, int flags);

参数说明：

clockid:
- 该参数指定所使用的时钟源，可以是以下几种类型之一：
  - CLOCK_REALTIME：系统的实时时钟（墙钟时间）。
  - CLOCK_MONOTONIC：单调时钟（时间不断增加，不会跳跃）。
  - CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID：进程的 CPU 时间。
  - CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID：线程的 CPU 时间。
通常使用 CLOCK_REALTIME 或 CLOCK_MONOTONIC。
flags:
- 用于指定定时器的一些特性，通常为 0，表示使用默认行为。可以使用以下标志：
  - TFD_CLOEXEC：设置文件描述符在执行 exec() 时自动关闭。
  - TFD_NONBLOCK：设置非阻塞模式。如果设置该标志，则 read() 时即使定时器未到期也不会阻塞。

返回值：

成功时返回一个定时器文件描述符（非负整数）。
失败时返回 -1，并设置 errno 以表示错误原因。

2. `timerfd_settime` 函数

timerfd_settime 用于设置或修改定时器的超时值。通过该函数，可以启动、重新设置或取消定时器。

函数原型：

#include <sys/timerfd.h>

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

参数说明：

fd:
- 定时器文件描述符，通常是通过 timerfd_create 创建的。
flags:
- 该参数用于指定设置定时器的方式，常用的标志是：
  - TIMER_ABSTIME：如果设置该标志，定时器的绝对时间是 new_value 中的时间，而不是相对时间（即从当前时间开始）。否则，new_value 表示相对时间。
new_value:
- 定时器的新超时时间，类型为 struct itimerspec。该结构包含两个字段：
  - it_value：定时器的初始超时值，即定时器首次超时的时间。
  - it_interval：定时器的周期。如果为零，定时器将只触发一次；如果不为零，则定时器会每隔 it_interval 触发一次。
struct itimerspec 的定义如下：
```
struct itimerspec {
    struct timespec it_value;      // 定时器的初始超时值
    struct timespec it_interval;   // 定时器的周期
};
```
struct timespec 定义如下：
```
struct timespec {
    time_t tv_sec;      // 秒
    long tv_nsec;       // 纳秒
};
```
old_value:
- 可选参数，用于保存定时器设置之前的值。如果不关心旧值，可以传入 NULL。

返回值：

成功时返回 0。
失败时返回 -1，并设置 errno。

3. `read` 函数（读取定时器超时事件）

当定时器超时时，文件描述符变为可读，调用 read() 函数来读取超时事件并执行相应的操作。

函数原型：

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数说明：

fd：
- 定时器文件描述符。
buf：
- 用于存储读取数据的缓冲区。对于 timerfd，读取时会返回一个 8 字节的整数，表示定时器被触发的次数。
count：
- 要读取的字节数，通常为 8。

返回值：

返回实际读取的字节数。如果定时器没有超时，则读取操作会阻塞。
返回 -1 表示失败，并设置 errno。

4. 代码示例

下面是一个简单的示例，演示如何使用 timerfd_create、timerfd_settime 和 read 创建一个定时器并等待其超时。

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/timerfd.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <time.h>

// 宏控制使用绝对时间还是相对时间
// #define USE_ABSTIME   // 如果需要使用绝对时间，取消注释此行

int main() {
    // 创建定时器文件描述符
    int tfd = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    if (tfd == -1) {
        perror("timerfd_create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置定时器超时时间为 5 秒后触发
    struct itimerspec new_value;
    new_value.it_value.tv_sec = 5;   // 初始超时时间 5 秒
    new_value.it_value.tv_nsec = 0;
    new_value.it_interval.tv_sec = 0;  // 不重复
    new_value.it_interval.tv_nsec = 0;

    // 使用宏控制设置 timerfd 的时间类型
#ifdef USE_ABSTIME
    int flags = TIMER_ABSTIME;  // 使用绝对时间
#else
    int flags = 0;  // 使用相对时间
#endif

    if (timerfd_settime(tfd, flags, &new_value, NULL) == -1) {
        perror("timerfd_settime");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 创建 epoll 实例
    int epfd = epoll_create1(0);
    if (epfd == -1) {
        perror("epoll_create1");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 将定时器文件描述符添加到 epoll 中
    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN;   // 定时器可读（超时）
    ev.data.fd = tfd;

    if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, tfd, &ev) == -1) {
        perror("epoll_ctl");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 等待定时器事件触发
    printf("Waiting for timer to expire...\n");
    while (1) {
        struct epoll_event events[1];
        int n = epoll_wait(epfd, events, 1, -1);
        if (n == -1) {
            perror("epoll_wait");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        if (events[0].data.fd == tfd) {
            uint64_t expirations;
            ssize_t s = read(tfd, &expirations, sizeof(expirations));
            if (s != sizeof(expirations)) {
                perror("read");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
            printf("Timer expired %llu times\n", expirations);
            break;  // 退出循环
        }
    }

    close(tfd);
    close(epfd);
    return 0;
}

代码解释

获取当前时间:
- 通过 clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &current_time) 获取当前的系统时间，返回值是 struct timespec 类型，包含秒数 (tv_sec) 和纳秒数 (tv_nsec)。
计算绝对时间:
- 在 绝对时间 模式下，我们要将当前时间与定时器的延迟时间相加。假设定时器设置为 5 秒后超时，new_value.it_value.tv_sec 就是当前时间的秒数加上 5 秒。
- new_value.it_value.tv_nsec 保持与当前的纳秒数一致。
设置定时器:
- flags 根据宏 USE_ABSTIME 的定义来决定是否使用 TIMER_ABSTIME 标志。这样，如果启用绝对时间模式，定时器的超时将是一个绝对时间戳。
- 如果没有启用 USE_ABSTIME，则使用相对时间，new_value.it_value 就是定时器的延迟时间（5 秒）。
等待定时器超时并触发:
- 使用 epoll_wait 等待定时器事件触发，并通过 read 函数获取定时器到期的次数。