[Linux用户空间编程-3]：Linux定时机制的几种实现方法

Posted 2022-03-11 文火冰糖的硅基工坊

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目录

前言：

定时器的常见使用方法

1. 使用sleep()和usleep()

2. 使用信号量SIGALRM + alarm()

3. 利用POSIX定时器：time.h

4. 使用RTC hardware device（适合实时性要求高的场合）

5. 使用select()

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前言：

定时器Timer应用场景非常广泛，在Linux下，有以下几种方法：

（1）sleep

（2）SIGALRM + alarm()

（3）POSIX time

（4）使用RTC hardware device

（5）select

定时器的常见使用方法

1. 使用sleep()和usleep()

其中sleep精度是1秒，usleep精度是1微妙。

使用这种方法缺点比较明显，在Linux系统中，sleep类函数不能保证精度，尤其在系统负载比较大时，sleep一般都会有超时现象。

while(1)

        sleep(1);

周期性的被调度器唤醒，调度执行。

2. 使用信号量SIGALRM + alarm()

这种方式的精度能达到1秒，其中利用了Linux系统的信号量机制，

首先注册信号量SIGALRM处理函数，调用alarm()，设置定时长度，代码如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

#include <stdio.h> #include <signal.h> void timer_handler(int sig)     if(SIGALRM == sig)              printf("timer\\n");         alarm(1); //再次发送alarm， 1表示1s后发送alarm          return ; int main()     signal(SIGALRM, timer_handler); //relate the signal and function     alarm(1);    //trigger the timer_handler, 1表示发送alarm的延时时间     getchar();     return 0;

alarm方式虽然很好，但是无法首先低于1秒的精度。

3. 利用POSIX定时器：time.h

（1）概述

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
• timer_delete：    销毁定时器

（2）代码示例

#include <stdio.h>  
#include <signal.h>  
#include <time.h>  
#include <string.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <unistd.h>  
  
# 定时回调函数，函数会被定时中断周期的调用
void timer_thread(union sigval v)  
  
    # v.sival_int从定时器软中断/Signal传递过来的信息
    printf("timer_thread function! %d\\n", v.sival_int);  
  
  
int main()  
  
    # 定时器标识
    timer_t timerid;  

    # 定时软中断信息
    struct sigevent evp;  
    //清零初始化
    memset(&evp, 0, sizeof(struct sigevent));   
    
    # 定时器的创建者传递给定时器的处理者的信息：
    evp.sigev_value.sival_int = 111;
    # 定时线程被通知的方式，启动一个新的线程来调用callback函数
    evp.sigev_notify = SIGEV_THREAD;   
    # 定时回调函数
    evp.sigev_notify_function = timer_thread;        
  
     # 创建定时器
    // int timer_create(clockid_t clockid, struct sigevent *evp, timer_t *timerid);  
    // clockid：定时器的类型：
    // CLOCK_REALTIME,CLOCK_MONOTONIC，CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID,CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID  
    // evp--存放环境值的地址,结构成员说明了定时器到期的通知方式和处理方式等  
    // timerid--用户存放返回的定时器标识符  
    
    if (timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timerid) == -1)  
      
        perror("fail to timer_create");  
        exit(-1);  
      
  
     # 设置定时器的参数：
    // XXX int timer_settime(timer_t timerid, int flags, const struct itimerspec *new_value,struct itimerspec *old_value);  
    // timerid--定时器标识  
    // flags--0表示相对时间，1表示绝对时间  
    // new_value--定时器的新初始值和间隔，如下面的it  
    // old_value--取值通常为0，即第四个参数常为NULL,若不为NULL，则返回定时器的前一个值  
      
    //第一次间隔it.it_value这么长,以后每次都是it.it_interval这么长,就是说it.it_value变0的时候会装载it.it_interval的值  
    struct itimerspec it;  
    it.it_interval.tv_sec = 1;  
    it.it_interval.tv_nsec = 0;  
    it.it_value.tv_sec = 1;  
    it.it_value.tv_nsec = 0;  
  
    if (timer_settime(timerid, 0, &it, NULL) == -1)  
      
        perror("fail to timer_settime");  
        exit(-1);  
      
  
    pause();  
  
    return 0;  
  

# 获得定时器当期的计数值
/* 
 * int timer_gettime(timer_t timerid, struct itimerspec *curr_value); 
 * 获取timerid指定的定时器的值，填入curr_value 
 * 
 */  

（3）CLOCK_MONOTONIC与CLOCK_REALTIME的区别：

CLOCK_MONOTONIC：是monotonic time，monotonic time字面意思是单调时间，实际上它指的是系统启动以后流逝的时间，这是由变量jiffies来记录的。系统每次启动时jiffies初始化为0，每来一个timer interrupt，jiffies加1，也就是说它代表系统启动后流逝的tick数。jiffies一定是单调递增的。

CLOCK_REALTIME：是wall time，wall time字面意思是挂钟时间，实际上就是指的是现实的时间，这是由变量xtime来记录的。系统每次启动时将CMOS上的RTC时间读入xtime，这个值是"自1970-01-01起经历的秒数、本秒中经历的纳秒数"，每来一个timer interrupt，也需要去更新xtime。
wall time不一定是单调递增的。因为wall time是指现实中的实际时间，如果系统要与网络中某个节点时间同步、或者由系统管理员觉得这个wall time与现实时间不一致，有可能任意的改变这个wall time。最简单的例子是，我们用户可以去任意修改系统时间，这个被修改的时间应该就是wall time，即xtime，它甚至可以被写入RTC而永久保存。一些应用软件可能就是用到了这个wall time，比如以前用vmware workstation，一启动提示试用期已过，但是只要把系统时间调整一下提前一年，再启动就不会有提示了，这很可能就是因为它启动时用gettimeofday去读wall time，然后判断是否过期，只要将wall time改一下，就可以欺骗过去了。

因此，如果需要严格的不受系统时间影响的定时器，则需要使用CLOCK_MONOTONIC类型。

4. 使用RTC hardware device（适合实时性要求高的场合）

RTC机制利用系统硬件中断提供的Real Time Clock机制，

通过读取RTC硬件/dev/rtc，通过ioctl()设置RTC频率，代码如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55

#include <stdio.h> #include <linux/rtc.h> #include <sys/ioctl.h> #include <sys/time.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <stdlib.h> int main(int argc, char* argv[])     unsigned long i = 0;     unsigned long data = 0;     int retval = 0;     int fd = open ("/dev/rtc", O_RDONLY);     if(fd < 0)              perror("open");         exit(errno);          /*Set the freq as 4Hz*/     if(ioctl(fd, RTC_IRQP_SET, 1) < 0)              perror("ioctl(RTC_IRQP_SET)");         close(fd);         exit(errno);          /* Enable periodic interrupts */     if(ioctl(fd, RTC_PIE_ON, 0) < 0)               perror("ioctl(RTC_PIE_ON)");         close(fd);         exit(errno);          while(1)                # 周期性的被硬件唤醒           # 平时被阻塞在内核设备的同步锁上。         if(read(fd, &data, sizeof(unsigned long)) < 0)                          # 出错处理             perror("read");             close(fd);             exit(errno);                  printf("timer\\n");          /* Disable periodic interrupts */     ioctl(fd, RTC_PIE_OFF, 0);     close(fd);     return 0;

优点：这种方式比较方便，利用了系统硬件提供的RTC，精度可调，而且非常高。

缺点：

（1）需要在内核空间写内核驱动程序，并虚拟出一个硬件设备。

（2）用户空间程序通过read(fd, &data, sizeof(unsigned long)阻塞在该设备上。

（3）内核中断服务程序周期性唤醒阻塞read上上的用户空间程序。

由于该应用程序是有内核中断服务程序唤醒的，因此实时性比较高。

5. 使用select()

这种方法比较冷门，通过使用select()，来设置定时器；

原理利用select()方法的第5个参数，第一个参数设置为0，三个文件描述符集都设置为NULL，第5个参数为时间结构体，代码如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

#include <sys/time.h> #include <sys/select.h> #include <time.h> #include <stdio.h> /*seconds: the seconds; mseconds: the micro seconds*/ void setTimer(int seconds, int mseconds)     struct timeval temp;     temp.tv_sec = seconds;     temp.tv_usec = mseconds;               # select被一直阻塞，直到超时后返回，起到了定时的作用。     select(0, NULL, NULL, NULL, &temp);     printf("timer\\n");     return ; int main()     int i;     for(i = 0 ; i < 100; i++)         setTimer(1, 0);     return 0;

这种方法精度能够达到微妙级别，网上有很多基于select()的多线程定时器，说明select()稳定性还是非常好。

总结：如果对系统要求比较低，可以考虑使用简单的sleep()，毕竟一行代码就能解决；

如果系统对精度要求比较高，则可以考虑RTC机制和select()机制。

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