timerfd使用总结

timerfd是Linux为用户程序提供的一个定时器接口。这个接口基于文件描述符,通过文件描述符的可读事件进行超时通知,所以能够被用于select/poll的应用场景。timerfd是linux内核2.6.25版本中加入的借口。
timerfd、eventfd、signalfd配合epoll使用,可以构造出一个零轮询的程序,但程序没有处理的事件时,程序是被阻塞的。这样的话在某些移动设备上程序更省电。

clock_gettime函数可以获取系统时钟,精确到纳秒。需要在编译时指定库:-lrt。可以获取两种类型事件:
CLOCK_REALTIME:相对时间,从1970.1.1到目前的时间。更改系统时间会更改获取的值。也就是,它以系统时间为坐标。
CLOCK_MONOTONIC:与CLOCK_REALTIME相反,它是以绝对时间为准,获取的时间为系统重启到现在的时间,更改系统时间对齐没有影响。

timerfd_create:
生成一个定时器对象,返回与之关联的文件描述符。接收两个入参,一个是clockid,填写CLOCK_REALTIME或者CLOCK_MONOTONIC,参数意义同上。第二个可以传递控制标志:TFD_NONBLOCK(非阻塞),TFD_CLOEXEC(同O_CLOEXEC)

注:timerfd的进度要比usleep要高。

timerfd_settime:能够启动和停止定时器;可以设置第二个参数:flags,0表示是相对定时器,TFD_TIMER_ABSTIME表示是绝对定时器。
第三个参数设置超时时间,如果为0则表示停止定时器。定时器设置超时方法:
1、设置超时时间是需要调用 clock_gettime 获取当前时间,如果是绝对定时器,那么需要获取 CLOCK_REALTIME,在加上要超时的时间。如果是相对定时器,要获取 CLOCK_MONOTONIC时间。
2、数据结构: 
   struct timespec {
               time_t tv_sec;                /* Seconds */
               long   tv_nsec;               /* Nanoseconds */
           };

           struct itimerspec {
               struct timespec it_interval;  /* Interval for periodic timer */
               struct timespec it_value;     /* Initial expiration */
           };
      it_value是首次超时时间,需要填写从 clock_gettime获取的时间,并加上要超时的时间。 it_interval是后续周期性超时时间,是多少时间就填写多少。
     注意一个容易犯错的地方:tv_nsec加上去后一定要判断是否超出1000000000(如果超过要秒加一),否则会设置失败。
     
     it_interval不为0则表示是周期性定时器。
     it_value和it_interval都为0表示停止定时器。

注: timerfd_create第一个参数和 clock_gettime的第一个参数都是 CLOCK_REALTIME或者 CLOCK_MONOTONIC, timerfd_settime的第二个参数为0(相对定时器)或者TFD_TIMER_ABSTIME,三者的关系:
1、如果 timerfd_settime设置为 TFD_TIMER_ABSTIME(决定时间),则后面的时间必须用 clock_gettime来获取,获取时设置 CLOCK_REALTIME还是 CLOCK_MONOTONIC取决于 timerfd_create设置的值。
2、如果 timerfd_settime设置为 0(相对定时器),则后面的时间必须用相对时间,就是:
    new_value.it_value.tv_nsec = 500000000;
    new_value. it_value .tv_sec = 3;
    new_value. it_interval .tv_sec = 0;
    new_value. it_interval .tv_nsec = 10000000;

read函数可以读timerfd,读的内容为uint_64,表示超时次数。

timerfd简单的性能测试:
申请1000个定时器,超时间定位1s,每秒超时一次,发现cpu占用率在3.0G的cpu上大概为1%,10000个定时器的话再7%左右,而且不会出现同时超时两个的情况,如果有printf到前台,则一般会出现定时器超时多次(3-5)才回调。



timerfd是Linux为用户程序提供的一个定时器接口。这个接口基于文件描述符,所以能够被用于select/poll的应用场景。

1.      使用方法

timerfd提供了如下接口供用户使用

timerfd_create

int timerfd_create(int clockid, int flags);

timerfd_create用于创建一个定时器文件。

参数clockid可以是CLOCK_MONOTONIC或者CLOCK_REALTIME。

参数flags可以是0或者O_CLOEXEC/O_NONBLOCK。

函数返回值是一个文件句柄fd。

timerfd_settime

int timerfd_settime(int ufd, int flags, const struct itimerspec * utmr, struct itimerspec * otmr);

此函数用于设置新的超时时间,并开始计时。

参数ufd是timerfd_create返回的文件句柄。

参数flags为1代表设置的是绝对时间;为0代表相对时间。

参数utmr为需要设置的时间。

参数otmr为定时器这次设置之前的超时时间。

函数返回0代表设置成功。

timerfd_gettime

int timerfd_gettime(int ufd, struct itimerspec * otmr);

此函数用于获得定时器距离下次超时还剩下的时间。如果调用时定时器已经到期,并且该定时器处于循环模式(设置超时时间时struct itimerspec::it_interval不为0),那么调用此函数之后定时器重新开始计时。

read

当timerfd为阻塞方式时,read函数将被阻塞,直到定时器超时。

函数返回值大于0,代表定时器超时;否则,代表没有超时(被信号唤醒,等等)。

poll/close

poll,close与标准文件操作相同。

2.      内核实现

timerfd的内核实现代码在kernel/fs/timerfd.c,它的实现基于Linux的hrtimer。

timerfd_create的实现

SYSCALL_DEFINE2(timerfd_create, int, clockid, int, flags)

l         做一些定时器的初始化工作

l         调用hrtimer_init初始化一个hrtimer

l         调用anon_inode_getfd分配一个dentry,并得到一个文件号fd,同时传入timerfd的文件操作指针struct file_operations timerfd_fops。anno_inode_getfd是文件系统anon_inodefs的一个帮助函数。anon文件系统比较简单,整个文件系统只有一个inode节点,其实现代码可以在fs/anon_inodes.c中找到。

timerfd_settime的实现

timerfd_settime最终会调用hrtimer_start启动定时器,其超时函数被设置为timerfd_tmrproc。

timerfd_tmrproc

timefd_tmrproc是timerfd的定时器超时函数。在timerfd超时时,该函数会设置定时器超时标记位;增加定时器超时次数(在设置定时器循环模式时,可能会出现多次超时没有被处理的情况);唤醒一个等待队列,从而唤醒可能存在的正被阻塞的read、select。

timerfd_fops

static const struct file_operations timerfd_fops = {

       .release    = timerfd_release,

       .poll        = timerfd_poll,

       .read              = timerfd_read,

};

timerfd_read函数是文件操作read的内核实现,读到的是定时器的超时次数。该函数在阻塞模式下会把自身挂到timerfd的等待队列中,等待定时器超时时被唤醒。

timerfd_poll将timerfd的等待队列登记到一个poll_table,从而在定时器超时时能唤醒select系统调用。

timerfd_release

timerfd_release函数释放timerfd_create函数中申请的资源,删除已分配的定时器。


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