Linux定时器编程：深入理解setitimer函数

Linux定时器编程：深入理解setitimer函数

• [1. 引言](#1. 引言)
• [2. setitimer函数概述](#2. setitimer函数概述)
• • 函数原型
  • 参数说明
  • 返回值
• [3. 数据结构详解](#3. 数据结构详解)
• • timeval结构
  • itimerval结构
• [4. 使用示例](#4. 使用示例)
• • 基本使用示例
  • 更复杂的示例：多定时器模拟
• [5. 注意事项和最佳实践](#5. 注意事项和最佳实践)
• [6. 常见问题解答](#6. 常见问题解答)
• [7. 替代方案](#7. 替代方案)
• [8. 总结](#8. 总结)

1. 引言

在Linux系统编程中，定时器是一个非常重要的功能组件，它允许程序在特定的时间间隔执行某些操作。setitimer()函数是Linux提供的传统定时器接口之一，虽然现代编程中可能更倾向于使用timer_create()等POSIX定时器，但理解setitimer()仍然很有价值，特别是在维护旧代码或需要简单定时功能的场景。

2. setitimer函数概述

setitimer()是一个系统调用，用于设置间隔定时器。它比更简单的alarm()函数提供了更精细的控制，允许设置三种不同类型的定时器，并且可以指定微秒级精度。

函数原型

#include <sys/time.h>

int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value,
              struct itimerval *old_value);

参数说明

• which：指定定时器类型，可以是以下值之一：

  • ITIMER_REAL：真实时间定时器，计时到时会发送SIGALRM信号
  • ITIMER_VIRTUAL：进程虚拟时间定时器（用户态CPU时间），计时到时会发送SIGVTALRM信号
  • ITIMER_PROF：进程虚拟时间定时器（用户态+内核态CPU时间），计时到时会发送SIGPROF信号

• new_value ：指向itimerval结构的指针，指定新的定时器设置

• old_value ：指向itimerval结构的指针，用于存储之前的定时器设置（可为NULL）

返回值

成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

3. 数据结构详解

setitimer()使用两个重要的数据结构：

timeval结构

struct timeval {
    time_t      tv_sec;     /* 秒 */
    suseconds_t tv_usec;    /* 微秒 */
};

itimerval结构

struct itimerval {
    struct timeval it_interval; /* 间隔时间 */
    struct timeval it_value;    /* 当前值（初始/剩余时间） */
};

• it_value：定时器第一次到期的时间
• it_interval：定时器第一次到期后的后续间隔时间。如果为0，则定时器只触发一次

4. 使用示例

基本使用示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    static int count = 0;
    printf("timer expired %d times\n", ++count);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    struct itimerval timer;

    // 设置信号处理函数
    sa.sa_handler = &timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        exit(1);
    }

    // 配置定时器：首次1秒后触发，之后每2.5秒触发一次
    timer.it_value.tv_sec = 1;
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 2;
    timer.it_interval.tv_usec = 500000;

    // 启动定时器
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL) == -1) {
        perror("setitimer");
        exit(1);
    }

    // 主程序继续执行其他任务
    while (1) {
        pause(); // 等待信号
    }

    return 0;
}

更复杂的示例：多定时器模拟

虽然setitimer()本身只支持三种定时器，但我们可以通过结合信号处理和不同的定时器类型来模拟多定时器：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <string.h>

void real_timer_handler(int signum) {
    printf("REAL timer triggered at %ld\n", time(NULL));
}

void virt_timer_handler(int signum) {
    printf("VIRTUAL timer triggered (user CPU time)\n");
}

void prof_timer_handler(int signum) {
    printf("PROF timer triggered (user+system CPU time)\n");
}

void setup_timer(int which, void (*handler)(int), 
                 long sec, long usec, long interval_sec, long interval_usec) {
    struct sigaction sa;
    struct itimerval timer;
    
    memset(&sa, 0, sizeof(sa));
    sa.sa_handler = handler;
    sigaction(which == ITIMER_REAL ? SIGALRM : 
              (which == ITIMER_VIRTUAL ? SIGVTALRM : SIGPROF), 
              &sa, NULL);
    
    timer.it_value.tv_sec = sec;
    timer.it_value.tv_usec = usec;
    timer.it_interval.tv_sec = interval_sec;
    timer.it_interval.tv_usec = interval_usec;
    
    if (setitimer(which, &timer, NULL) == -1) {
        perror("setitimer");
        exit(1);
    }
}

int main() {
    // 设置三种不同类型的定时器
    setup_timer(ITIMER_REAL, real_timer_handler, 1, 0, 2, 0);
    setup_timer(ITIMER_VIRTUAL, virt_timer_handler, 0, 500000, 1, 0);
    setup_timer(ITIMER_PROF, prof_timer_handler, 2, 0, 3, 0);

    // 模拟CPU密集型工作以触发虚拟定时器
    while (1) {
        volatile int i;
        for (i = 0; i < 1000000; i++); // 消耗CPU时间
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

5. 注意事项和最佳实践

1. 信号安全函数 ：定时器信号处理函数中只能调用异步信号安全函数。printf()严格来说不是信号安全的，实际应用中应考虑使用write()或设置标志位在主循环中处理。

2. 定时器精度：Linux的定时器精度受内核时钟滴答（通常为1ms到10ms）限制，无法实现真正的微秒级精度。

3. 定时器类型选择：

   • ITIMER_REAL：适合需要真实时间计时的场景
   • ITIMER_VIRTUAL：适合测量程序在用户态消耗的CPU时间
   • ITIMER_PROF：适合测量程序总CPU时间（用户态+内核态）

4. 资源限制：进程可以设置的定时器数量有限（通常每种类型一个）。

5. 多线程环境 ：setitimer()在多线程程序中会影响整个进程，所有线程共享相同的定时器设置。

6. 与sleep函数的交互 ：某些sleep类函数可能会干扰ITIMER_REAL定时器，因为它们内部可能使用相同的机制。

6. 常见问题解答

Q: setitimer和alarm有什么区别？

A: alarm()是setitimer(ITIMER_REAL)的简化版本，只支持秒级精度且只能设置一个一次性定时器。setitimer()提供了微秒级精度、周期性定时和三种不同类型的定时器。

Q: 为什么我的定时器没有按照预期触发？

A: 可能的原因包括：

• 信号处理函数执行时间过长
• 进程收到了大量其他信号导致信号排队问题
• 定时器类型选择不当（如使用虚拟定时器但进程没有消耗CPU时间）
• 定时器被其他系统调用（如sleep）重置

Q: 如何取消一个活动的定时器？

A: 将itimerval结构的所有字段设置为0并调用setitimer()：

struct itimerval disable = {{0, 0}, {0, 0}};
setitimer(which, &disable, NULL);

7. 替代方案

虽然setitimer()很有用，但在现代编程中，你可能需要考虑以下替代方案：

1. POSIX定时器（timer_create等） ：

   • 支持更多定时器实例
   • 更灵活的触发方式（信号、线程创建等）
   • 每个定时器可以有独立的信号

2. epoll/poll与定时器文件描述符：

   • Linux特有的timerfd_create系列函数
   • 可以将定时器事件集成到I/O多路复用中

3. 高分辨率定时器：

   • nanosleep()提供纳秒级睡眠
   • clock_nanosleep()提供更精确的定时控制

8. 总结

setitimer()是Linux系统编程中一个简单但功能强大的定时器接口，特别适合需要周期性信号触发的场景。虽然它有一些限制，但在许多情况下仍然非常有用。理解其工作原理和限制有助于编写更可靠的定时器相关代码。对于更复杂的需求，可以考虑使用POSIX定时器或其他现代定时器API。

通过本文的介绍和示例，你应该已经掌握了setitimer()的核心概念和使用方法。在实际应用中，记得考虑信号安全性和定时器精度等限制，选择最适合你应用场景的定时器方案。