【Linux】timerfd——定时器
文章目录
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- 前言
- 认识 timerfd
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- API timerfd
- API clock
- 官方示例
- 简单使用
- epoll实现
前言
在 Linux 系统编程中，使用 timerfd 实现定时器功能是一种更加可靠、高效、灵活的方式。本文是对 timerfd 的简单使用，不涉及太过深入知识，熟练掌握几个常用 API，实现定时器功能。
认识 timerfd
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，它可以用来实现高精度的定时器，以及与 I/O 多路复用机制（如select、poll、epoll等）进行配合，实现异步事件驱动的程序。
优点：
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高精度：timerfd使用内核提供的高精度计时器，精度通常可以达到纳秒级别，相对于使用系统时间的方式，误差更小，定时器的精度更高。
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资源占用低：timerfd使用内核提供的异步I/O机制，可以将定时器超时事件通知给应用程序，而不需要应用程序不断地轮询，从而避免了大量的CPU资源占用，提高了系统性能。
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灵活性强：timerfd可以设置不同的定时器超时时间，并且可以同时管理多个定时器，可以根据应用程序的需要进行灵活配置。
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可移植性好：timerfd是Linux内核提供的标准接口，可以在不同的Linux系统上使用，具有很好的可移植性。
API timerfd
常用的 API 接口：
#include timerfd_create
timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0); // 使用系统实时时间作为计时基准，阻塞模式。
clockid:
CLOCK_REALTIME：使用系统实时时钟，可以被修改；
CLOCK_MONOTONIC：使用系统单调时钟，不能被修改；
flags:
TFD_NONBLOCK：非阻塞模式，read操作不会阻塞；
TFD_CLOEXEC：创建的文件描述符将在执行exec时关闭。
timerfd_settime
timerfd_settime(fd, TFD_TIMER_ABSTIME, &new_value, NULL);
// 计时器文件描述符fd，初始状态new_value，并且采用绝对时间。（0：相对，1：绝对）
fd： timerfd_create函数创建的定时器文件描述符
flags： 可以设置为0或者TFD_TIMER_ABSTIME，用于指定定时器的绝对时间或者相对时间
new_value： 是一个指向itimerspec结构体的指针，用于指定新的定时器参数；
old_value： 是一个指向itimerspec结构体的指针，用于获取旧的定时器参数。
timerfd_gettime
// timerfd_gettime是一个用于获取timerfd定时器的当前超时时间的系统调用。
// 它可以用于查询定时器的当前状态，以便在需要时进行调整。
curr_value是指向itimerspec结构体的指针，用于存储当前定时器的超时时间和间隔。
itimerspec结构体定义如下：
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
};
API clock
#include clock_settime
// 用于设置系统时钟的时间
// clock_settime函数所设置的时间值会影响到所有基于该时钟的时间函数，例如gettimeofday、clock_gettime等。
// 在Linux系统中，只有特权进程（即具有root权限的进程）才能修改系统时钟。
clock_gettime
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start); // 基于系统启动时间的单调递增时钟，获取到的结构体值赋给start
clockid:
CLOCK_MONOTONIC：提供了一个单调递增的时钟，不受系统时间被改变的影响。
CLOCK_REALTIME：供了当前的日期和时间，但是受系统时间被改变的影响。
官方示例
官方简单示例：（man手册查看）
#include 简单使用
timerfd 的基本使用：
#include 上例程序是非阻塞的timerfd，极大占用CPU资源。
epoll实现
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。epoll_wait阻塞监听事件。
eventfd：
#include eventfd是Linux系统调用中的一种文件描述符类型，它可以用于在进程间传递事件通知。当一个进程调用eventfd创建一个事件文件描述符时，它会得到一个文件描述符，可以使用该文件描述符进行读写操作。当另一个进程写入数据到该文件描述符时，它会唤醒正在等待读取该文件描述符的进程。这样，可以实现进程间的事件通知，而无需使用显式的信号量或者管道等机制。
eventfd的使用非常简单，只需要调用eventfd函数创建一个事件文件描述符，然后使用read和write函数进行读写操作即可。eventfd还支持select、poll、epoll等多路复用机制，可以方便地将其集成到事件驱动的程序中。
代码如下：
- timerfd设置为非阻塞状态：
fd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, TFD_NONBLOCK);
- 创建eventfd
g_eventfd = eventfd(0, 0);
- 注册epoll事件监听
int epollfd = epoll_create(2);
if (epollfd == -1)
handle_error("epoll_create failed");
struct epoll_event ev_timer;
ev_timer.events = EPOLLIN;
ev_timer.data.fd = fd;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev_timer);
struct epoll_event ev_event;
ev_event.events = EPOLLIN;
ev_event.data.fd = g_eventfd;
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, g_eventfd, &ev_event);
const int max_events = 2;
struct epoll_event events[max_events];
详见代码：
#include : 使用 SIGUSR1 和 SIGUSR2 信号来进行信号传递。这两个信号是专门为用户定义的信号，可以用于进程间通信或者在同一进程的不同线程之间进行通信。
if (argc != 4) {
fprintf(stderr, "Usage %s init-secs interval-secs max-exp\n", argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
g_eventfd = eventfd(0, 0);
if (g_eventfd == -1)
handle_error("eventfd failed");
g_timerfd = create_timer();
init_timer(g_timerfd, atoi(argv[1]), 0, atoi(argv[2]), 0);
g_exp = atoi(argv[3]);
print_elapsed_time(); // 第一次
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, work_function, &g_timerfd);
pthread_join(tid, NULL);
return 0;
}
运行示例：（1s第一次到期，每个3s定时一次，总共10次，kill杀死信号后结束程序）
