Linux 下定时器的实现方式分析

定时器属于基本的基础组件，不管是用户空间的程序开发，还是内核空间的程序开发，很多时候都需要有定时器作为基础组件的支持，但使用场景的不同，对定时器的实现考虑也不尽相同，本文讨论了在 Linux 环境下，应用层和内核层的定时器的各种实现方法，并分析了各种实现方法的利弊以及适宜的使用环境。

概论

首先，给出一个基本模型，定时器的实现，需要具备以下几个行为，这也是在后面评判各种定时器实现的一个基本模型 [1]：

StartTimer(Interval, TimerId, ExpiryAction)

注册一个时间间隔为 Interval 后执行 ExpiryAction 的定时器实例，其中，返回 TimerId 以区分在定时器系统中的其他定时器实例。

StopTimer(TimerId)

根据 TimerId 找到注册的定时器实例并执行 Stop 。

PerTickBookkeeping()

在一个 Tick 内，定时器系统需要执行的动作，它最主要的行为，就是检查定时器系统中，是否有定时器实例已经到期。注意，这里的 Tick 实际上已经隐含了一个时间粒度 (granularity) 的概念。

ExpiryProcessing()

在定时器实例到期之后，执行预先注册好的 ExpiryAction 行为。

上面说了基本的定时器模型，但是针对实际的使用情况，又有以下 2 种基本行为的定时器：

Single-Shot Timer

这种定时器，从注册到终止，仅仅只执行一次。

Repeating Timer

这种定时器，在每次终止之后，会自动重新开始。本质上，可以认为 Repeating Timer 是在 Single-Shot Timer 终止之后，再次注册到定时器系统里的 Single-Shot Timer，因此，在支持 Single-Shot Timer 的基础上支持 Repeating Timer 并不算特别的复杂。

基于链表和信号实现定时器 (2.4 版内核情况下 )

在 2.4 的内核中，并没有提供 POSIX timer ［ 2 ］的支持，要在进程环境中支持多个定时器，只能自己来实现，好在 Linux 提供了 setitimer(2) 的接口。它是一个具有间隔功能的定时器 (interval timer)，但如果想在进程环境中支持多个计时器，不得不自己来管理所有的计时器。 setitimer(2) 的定义如下：

清单 1. setitimer 的原型

#include <sys/time.h>

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

setitimer 能够在 Timer 到期之后，自动再次启动自己，因此，用它来解决 Single-Shot Timer 和 Repeating Timer 的问题显得很简单。该函数可以工作于 3 种模式：

ITIMER_REAL 以实时时间 (real time) 递减，在到期之后发送 SIGALRM 信号

ITIMER_VIRTUAL 仅进程在用户空间执行时递减，在到期之后发送 SIGVTALRM 信号

ITIMER_PROF 进程在用户空间执行以及内核为该进程服务时 ( 典型如完成一个系统调用 ) 都会递减，与 ITIMER_VIRTUAL 共用时可度量该应用在内核空间和用户空间的时间消耗情况，在到期之后发送 SIGPROF 信号

定时器的值由下面的结构定义：

清单 2. setitimer 定时器的值定义

struct itimerval {
struct timeval it_interval; /* next value */
struct timeval it_value;     /* current value */
};
struct timeval {
long tv_sec;                /* seconds */
long tv_usec;               /* microseconds */
};

setitimer() 以 new_value 设置特定的定时器，如果 old_value 非空，则它返回 which 类型时间间隔定时器的前一个值。定时器从 it_value 递减到零，然后产生一个信号，并重新设置为 it_interval，如果此时 it_interval 为零，则该定时器停止。任何时候，只要 it_value 设置为零，该定时器就会停止。

由于 setitimer() 不支持在同一进程中同时使用多次以支持多个定时器，因此，如果需要同时支持多个定时实例的话，需要由实现者来管理所有的实例。用 setitimer() 和链表，可以构造一个在进程环境下支持多个定时器实例的 Timer，在一般的实现中的 PerTickBookkeeping 时，会递增每个定时器的 elapse 值，直到该值递增到最初设定的 interval 则表示定时器到期。

Linux 下定时器的实现方式分析

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