在Linux应用层使用POSIX定时器

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背景

系统中的一个模块需要频繁的获取系统时间，使用linux中内置的函数开销过大，因为需要的精度不是很高（毫秒级），索性用signal函数配合setitimer实现了个简易的全局时钟。

但是后来发现，SIGALRM的中断信号回终止sleep，因为sleep就是用SIGALRM信号量实现的，得另想方案。

这个替代方案就是POSIX中内置的定时器：timer_create()(创建)、timer_settime()(初始化)以及 timer_delete(销毁)，将自己的时间信号处理函数用timer_create注册为SIGUSR2，这样就不会中断sleep了。

POSIX定时器

最强大的定时器接口来自POSIX时钟系列，其创建、初始化以及删除一个定时器的行动被分为三个不同的函数：timer_create()(创建定时器)、timer_settime()(初始化定时器)以及timer_delete(销毁它)。

创建一个定时器

int timer_create(clockid_t clock_id, struct sigevent *evp, timer_t *timerid);

进程可以通过调用timer_create()创建特定的定时器，定时器是每个进程自己的，不是在fork时继承的。

clock_id说明定时器是基于哪个时钟的，*timerid装载的是被创建的定时器的ID。该函数创建了定时器，并将他的ID 放入timerid指向的位置中。

参数evp指定了定时器到期要产生的异步通知。

如果evp为NULL，那么定时器到期会产生默认的信号，对 CLOCK_REALTIMER来说，默认信号就是SIGALRM。
如果要产生除默认信号之外的其它信号，程序必须将 evp->sigev_signo设置为期望的信号码。struct sigevent 结构中的成员evp->sigev_notify说明了定时器到期时应该采取的行动。通常，这个成员的值为SIGEV_SIGNAL,这个值说明在定时器到期时，会产生一个信号。程序可以将成员evp->sigev_notify设为SIGEV_NONE来防止定时器到期时产生信号。
如果几个定时器产生了同一个信号，处理程序可以用 evp->sigev_value来区分是哪个定时器产生了信号。要实现这种功能，程序必须在为信号安装处理程序时，使用struct sigaction的成员sa_flags中的标志符SA_SIGINFO。

clock_id取值为以下：

CLOCK_REALTIME :Systemwide realtime clock.

CLOCK_MONOTONIC:Represents monotonic time. Cannot be set.

CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID :High resolution per-process timer.

CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID :Thread-specific timer.

CLOCK_REALTIME_HR :High resolution version of CLOCK_REALTIME.

CLOCK_MONOTONIC_HR :High resolution version of CLOCK_MONOTONIC.

sigevent 的原型

struct sigevent

{

    int sigev_notify; //notification type

    int sigev_signo; //signal number

    union sigval sigev_value; //signal valu

    void (*sigev_notify_function)(union sigval)

        pthread_attr_t *sigev_notify_attributes

}

union sigval

{

    int sival_int; //integer valu

    void *sival_ptr; //pointer value

}

通过将evp->sigev_notify设定为如下值来定制定时器到期后的行为：

SIGEV_NONE：什么都不做，只提供通过timer_gettime和timer_getoverrun查询超时信息。
SIGEV_SIGNAL: 当定时器到期，内核会将sigev_signo所指定的信号传送给进程。在信号处理程序中，si_value会被设定会sigev_value。
SIGEV_THREAD: 当定时器到期，内核会(在此进程内)以sigev_notification_attributes为线程属性创建一个线程，并且让它执行sigev_notify_function，传入sigev_value作为为一个参数。

启动一个定时器

timer_create()所创建的定时器并未启动。要将它关联到一个到期时间以及启动时钟周期，可以使用timer_settime()。

int timer_settime(timer_t timerid, int flags, const struct itimerspec *value, struct itimerspect *ovalue); 

struct itimerspec {

    struct timespec it_interval;    /* timer period */

    struct timespec it_value;   /* timer expiration */

};

如同settimer()，it_value用于指定当前的定时器到期时间。当定时器到期，it_value的值会被更新成it_interval 的值。如果it_interval的值为0，则定时器不是一个时间间隔定时器，一旦it_value到期就会回到未启动状态。timespec的结构提供了纳秒级分辨率：

如果flags的值为TIMER_ABSTIME，则value所指定的时间值会被解读成绝对值(此值的默认的解读方式为相对于当前的时间)。这个经修改的行为可避免取得当前时间、计算“该时间”与“所期望的未来时间”的相对差额以及启动定时器期间造成竞争条件。

如果ovalue的值不是NULL，则之前的定时器到期时间会被存入其所提供的itimerspec。如果定时器之前处在未启动状态，则此结构的成员全都会被设定成0。

获得一个活动定时器的剩余时间

int timer_gettime(timer_t timerid,struct itimerspec *value);

取得一个定时器的超限运行次数

有可能一个定时器到期了，而同一定时器上一次到期时产生的信号还处于挂起状态。在这种情况下，其中的一个信号可能会丢失。这就是定时器超限。程序可以通过调用timer_getoverrun来确定一个特定的定时器出现这种超限的次数。定时器超限只能发生在同一个定时器产生的信号上。由多个定时器，甚至是那些使用相同的时钟和信号的定时器，所产生的信号都会排队而不会丢失。

int timer_getoverrun(timer_t timerid);

执行成功时，timer_getoverrun()会返回定时器初次到期与通知进程(例如通过信号)定时器已到期之间额外发生的定时器到期次数。

举例来说，在我们之前的例子中，一个1ms的定时器运行了10ms，则此调用会返回9。如果超限运行的次数等于或大于DELAYTIMER_MAX，则此调用会返回DELAYTIMER_MAX。

执行失败时，此函数会返回-1并将errno设定会EINVAL，这个唯一的错误情况代表timerid指定了无效的定时器。

删除一个定时器

int timer_delete (timer_t timerid);

一次成功的timer_delete()调用会销毁关联到timerid的定时器并且返回0。

执行失败时，此调用会返回-1并将errno设定会 EINVAL，这个唯一的错误情况代表timerid不是一个有效的定时器。

例子

例1

程序运行3秒以后，每隔1秒打印当前时间。

// test1.c

#include <signal.h>

#include <time.h>

#include <stdio.h>

void handle()

{

    time_t t;

    char p[32];

    time(&t);

    strftime(p, sizeof(p), "%T", localtime(&t));

    printf("time is %s\n", p);

}

int main()

{

    struct sigevent evp;

    struct itimerspec ts;

    timer_t timer;

    int ret;

    evp.sigev_value.sival_ptr = &timer;

    evp.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;

    evp.sigev_signo = SIGUSR1;

    signal(SIGUSR1, handle);

    ret = timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timer);

    if( ret )

        perror("timer_create");

    ts.it_interval.tv_sec = 1;

    ts.it_interval.tv_nsec = 0;

    ts.it_value.tv_sec = 3;

    ts.it_value.tv_nsec = 0;

    ret = timer_settime(timer, 0, &ts, NULL);

    if( ret )

        perror("timer_settime");

    while(1);

}

编译命令：gcc test1.c -lrt

例2

程序运行3秒以后，每隔1秒打印当前时间。同时发送指定的信号。

// test2.c

#include <signal.h>

#include <time.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <pthread.h>

void handle(union sigval v)

{

    time_t t;

    char p[32];

    time(&t);

    strftime(p, sizeof(p), "%T", localtime(&t));

    printf("%s thread %lu, val = %d, signal captured.\n", p, pthread_self(), v.sival_int);

    return;

}

int main()

{

    struct sigevent evp;

    struct itimerspec ts;

    timer_t timer;

    int ret;

    memset (&evp, 0, sizeof (evp));

    evp.sigev_value.sival_ptr = &timer;

    evp.sigev_notify = SIGEV_THREAD;

    evp.sigev_notify_function = handle;

    evp.sigev_value.sival_int = 3; //作为handle()的参数

    ret = timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timer);

    if( ret)

        perror("timer_create");

    ts.it_interval.tv_sec = 1;

    ts.it_interval.tv_nsec = 0;

    ts.it_value.tv_sec = 3;

    ts.it_value.tv_nsec = 0;

    ret = timer_settime(timer, TIMER_ABSTIME, &ts, NULL);

    if( ret )

        perror("timer_settime");

    while(1);

}

编译命令：gcc test2.c -lrt