Linux提供的定时器

定时器在许多场景中非常有用，尤其是在需要精确定时或定时执行某些任务的情况下。而Linux专门为定时器提供了一套定时器接口。

timerfd_creat

timerfd_create是 Linux 中用于创建定时器文件描述符的函数。这个功能主要是用来在指定的时间后或定时间隔内触发事件，适用于需要精确定时的应用。

#include <sys/timerfd.h>
int timerfd_create(int clockid, int flags);

clockid：指定计时器所使用的时钟，可以是 CLOCK_REALTIME 或 CLOCK_MONOTONIC。

• CLOCK_REALTIME：系统实时时钟，从1970-01-01 00:00:00 UTC计时。
• CLOCK_MONOTONIC：系统启动后经过的时间，不受系统时间变化的影响。

flags：可以是 0 或 TFD_NONBLOCK、TFD_CLOEXEC 的组合。

• TFD_NONBLOCK：使文件描述符在非阻塞模式下工作。
• TFD_CLOEXEC：在执行 exec() 系统调用时自动关闭文件描述符。

timerfd_create 的返回值是一个文件描述符，用于标识创建的定时器。如果创建成功，它返回一个非负的文件描述符；如果失败，它返回 -1，并设置 errno 来指示错误原因。

itimerspec

itimerspec 是一个结构体，用于指定定时器的初始启动时间和间隔时间。

该结构体定义在头文件 <time.h> 中，结构如下：

struct itimerspec {
    struct timespec it_interval; /* Interval for periodic timer */
    struct timespec it_value;    /* Initial expiration */
};

• it_interval：指定定时器的周期。如果定时器是单次触发，这个值应为 0。
• it_value：指定定时器的初始启动时间。

其中

1. 初始启动时间指的是定时器从设定（调用 timerfd_settime 函数）后开始计时，到第一次触发之间的时间间隔。
2. 指定周期指的是定时器在初始启动时间后，以固定的时间间隔重复触发事件的机制。

timespec 结构体

itimerspec 中包含的两个字段 it_interval 和 it_value 均是 timespec 结构体类型。timespec 结构体定义如下：

struct timespec {
    time_t tv_sec;  /* seconds */
    long   tv_nsec; /* nanoseconds */
};

• tv_sec：以秒为单位的时间。
• tv_nsec：以纳秒为单位的时间。

timerfd_settime

timerfd_settime 是用于设置和启动定时器的函数，它与 timerfd_create 一起使用来控制定时器的行为。timerfd_settime 函数允许你指定定时器的初始启动时间和周期时间。

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

参数解释

fd：由 timerfd_create 返回的定时器文件描述符。

flags：指定定时器的行为，可以是以下值之一：

• 0：相对时间，从当前时间开始计时。
• TFD_TIMER_ABSTIME：绝对时间，从指定的时间点（即从 UNIX 纪元（1970年1月1日）以来的秒数和纳秒数）开始计时。

new_value：指向一个 itimerspec 结构体，定义定时器的初始启动时间和周期时间。

old_value：如果不为 NULL，该结构体将保存上一次的定时器设定值。

定时器设置中的时间点

定时器的设置可以涉及两种主要的时间表示方式：

1. 相对时间：定时器从设置的那一刻起开始计时。
2. 绝对时间：定时器从指定的系统时间点开始计时。

使用绝对时间点

当使用 TFD_TIMER_ABSTIME 标志时，it_value 代表的是一个绝对时间点，即从 UNIX 纪元（1970年1月1日）以来的秒数和纳秒数。因此，定时器将从当前时间加上 it_value 指定的时间点开始计时。

timerfd_gettime

timerfd_gettime 是一个系统调用函数，用于获取定时器的当前状态，包括定时器的剩余时间和定时器的周期时间。这个函数对于检查定时器的状态或获取定时器当前剩余的时间非常有用。

int timerfd_gettime(int fd, struct itimerspec *curr_value);

参数说明

fd ：定时器文件描述符，是通过 timerfd_create 创建的。

curr_value （输出型参数）：指向 itimerspec 结构体的指针，用于接收定时器的当前状态。itimerspec 结构体包括：

• it_value：定时器的剩余时间（即下次到期时间的时间点）。
• it_interval：定时器的周期时间。

返回值

• 成功时返回 0。
• 失败时返回 -1 并设置 errno 以指示错误类型。

clock_gettime

int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);

参数解释

• clk_id ：时钟标识符，指定要获取时间的时钟。常见的时钟类型包括：
  • CLOCK_REALTIME：系统实时时钟，表示当前的系统时间，从 UNIX 纪元（1970年1月1日）以来的秒数。
  • CLOCK_MONOTONIC：单调时钟，表示系统启动以来的时间，不受系统时间调整的影响。
  • CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID：当前进程的 CPU 时间。
  • CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID：当前线程的 CPU 时间。
• tp ：指向 timespec 结构体的指针，用于接收获取的时间信息。

返回值

• 成功时返回 0。
• 失败时返回 -1 并设置 errno 以指示错误类型。

例子

#include <iostream>
#include <sys/timerfd.h>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <ctime>

int main() {
    // 创建 timerfd
    int timerfd = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    if (timerfd == -1) {
        std::cerr << "Failed to create timerfd: " << strerror(errno) << std::endl;
        return 1;
    }

    // 设置定时器
    struct itimerspec new_value;
    new_value.it_value.tv_sec = 5;  // 初始启动时间为5秒后
    new_value.it_value.tv_nsec = 0;
    new_value.it_interval.tv_sec = 1;  // 周期为1秒
    new_value.it_interval.tv_nsec = 0;

    if (timerfd_settime(timerfd, 0, &new_value, NULL) == -1) {
        std::cerr << "Failed to set timer: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(timerfd);
        return 1;
    }

    // 获取定时器状态
    struct itimerspec curr_value;
    if (timerfd_gettime(timerfd, &curr_value) == -1) {
        std::cerr << "Failed to get timer time: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(timerfd);
        return 1;
    }

    // 输出当前状态
    std::cout << "Current timer status:" << std::endl;
    std::cout << "Time until next expiration (seconds): " << curr_value.it_value.tv_sec << std::endl;
    std::cout << "Time until next expiration (

解释

1. 创建定时器 ：通过 timerfd_create 创建一个定时器文件描述符。

2. 设置定时器 ：使用 timerfd_settime 配置定时器的初始启动时间和周期时间。

3. 获取定时器状态

   调用 timerfd_gettime 获取定时器的当前状态，将结果存储在 curr_value 中。curr_value 是一个 itimerspec 结构体，它会被填充为定时器的剩余时间和周期时间。

4. 输出状态信息：打印定时器的当前初始到期时间和周期时间。

5. 关闭定时器：在程序结束时关闭定时器文件描述符。

定时器的使用场景

定时器在许多应用场景中都非常有用，特别是在需要精确时间控制和事件调度的情况下。以下是一些常见的使用场景：

1. 周期性任务调度 ：
   • 例如，每隔一段时间执行一次某个任务，如数据采集、日志记录、性能监控等。
2. 超时控制 ：
   • 在网络编程中，可以设置定时器来检测连接超时、数据传输超时等。
   • 在用户输入处理中，可以设置定时器来检测用户的长时间不操作等情况。
3. 定时事件触发 ：
   • 用于在特定时间点触发某些事件，如定时提醒、定时任务执行等。
4. 性能测量 ：
   • 通过测量代码执行时间来分析性能瓶颈，优化程序效率。

使用定时器的建议

1. 选择合适的定时器类型 ：
   • 根据具体需求选择适当的定时器类型，如 CLOCK_REALTIME 用于实际时间触发，CLOCK_MONOTONIC 用于系统启动后的持续时间触发，不受系统时间修改的影响。
2. 设置合理的时间间隔和初始启动时间 ：
   • 根据任务的重要性和执行频率设置合适的时间间隔，避免不必要的频繁触发导致系统资源浪费。
3. 处理定时器触发事件 ：
   • 在定时器触发事件时，确保及时处理，避免积压事件导致定时器触发延迟。
   • 使用非阻塞 I/O 或者多线程来处理定时器触发事件，确保系统的其他部分不受影响。
4. 检查和调整定时器状态 ：
   • 使用 timerfd_gettime 检查定时器的当前状态，确保定时器运行如预期。
   • 在必要时动态调整定时器的时间设置，以适应变化的需求。
5. 资源管理 ：
   • 在程序结束或不再需要定时器时，确保关闭定时器文件描述符，释放系统资源。