定时器 API

1. setitimer 和 getitimer（不建议）

SYNOPSIS
       #include <sys/time.h>

       int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);
       int setitimer(int which, const struct itimerval *restrict new_value,
                     struct itimerval *_Nullable restrict old_value);

which 参数指定创建的定时器的类型

• 可以是真实时间，到期的信号是 SIGALARM。
• 可以是用户 CPU 时间（进程虚拟时间），到期的信号为 SIGVTALRM。
• 可以是内核 + 用户 CPU 时间（profiling 定时器），到期的信号是 SIGPROF。

以上三种信号默认行为是终止进程，所以定时器要结合信号处理函数使用。

struct itimerval 参数解释

struct itimerval {
   struct timeval it_interval; /* Interval for periodic timer */
   struct timeval it_value;    /* Time until next expiration */
};

其中 timeval 是带有秒和微秒的结构体，可以参考 10.01 时间类型 tm time_t timeval timespec。

it_interval 指的是定时器的发生周期，如果是 0 μs，则表示这是一次性定时器。it_value 是定时器的首次触发时间，可以和 it_interval 不同，如果为 0 μs 则表示清除（已有的）定时器而不是设置定时器。

定时器的数量限制

以上三种定时器每个进程都只能最多各一个。

其他

使用 setitimer 和 alarm 创建的定时器可以不会被 exec 清理，但是不会被 fork 继承到子进程。

SUSv4 废止了 getitimer() 和 setitimer()，同时推荐使用 POSIX 定时器 API。

2. alarm（不建议）

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>

       unsigned int alarm(unsigned int seconds);

alarm 函数能设置一次性定时器，计时单位是秒。alarm 和 setitimer 比较相似：

1. 会覆盖上一个设置。
2. 用时间 0 作为参数表示清除定时器。
3. 一个进程只能有一个 alarm 定时器。

SUSv3 没有规定 alarm 和 setitimer 混用时的情况，在 Linux 实现中 alarm 和 setitimer 对真实时间的计时设定会相互覆盖。为了可移植性最好不要混用两套 API。

3. 为阻塞操作设置超时

有些系统调用不能设置超时时间，这个时候可以用定时器来完成这个功能。

1. 用 sigaction 设置好对应信号的处理器函数，防止超时信号使得进程终止。创建处理器函数的时候还要排除 SA_RESTART 标志，防止系统调用被重启。
2. 创建定时器。
3. 执行阻塞系统调用。
4. 检查系统调用的返回值是否是 EINTR（遭遇中断而失败）。
5. 消除定时器。

一个风险是：如果计时器在执行阻塞系统调用之前就已经到期，那么系统调用将可能一直阻塞。但是一般计时器设置的时间会比较长，所以这种问题很少发生。不过，如果使用的是 I/O 系统调用， select / poll 的超时功能是更好的方案。

4. 定时器的精度

以前定时器的精度受限于软件时钟周期（内核 jiffy）的精度。从 Linux 版本 2.6.21 开始，如果内核配置了 CONFIG_HIGH_RES_TIMERS 选项，那么定时器的精度可以达到硬件级精度。

如果定时器的时间不能刚好被内核所支持精度的最小单位表示，又或者系统负载高，定时器到期时进程就不能马上得到调度。但是尽管有这种延迟，定时器的下一次触发不会因此而被延后，也不会有累积延迟。

睡眠 API

之前介绍的阻塞函数都是等待某种条件。如果想要用之前的函数实现等待若干时间，可以用 sigsuspend 和定时器函数，但这稍嫌麻烦。

sleep 和 usleep（不建议）

#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int seconds);
int usleep(useconds_t usec);

sleep 函数的接口比较简单，Linux 将其实现为对 nanosleep 的调用。此函数和 alarm、setitimer 之间如何相互影响，SUSv3 没有规定，所以为了移植性最好避免使用。

如果有信号在此期间到达，则 sleep 函数也会提前返回，返回值表示还剩下没有休眠够的秒数。

usleep 除了精度比 sleep 更高之外，其他的特点非常相似，也应该避免使用。

nanosleep

#include <time.h>

int nanosleep(const struct timespec *req,
              struct timespec *_Nullable rem);

Compared to sleep(3) and usleep(3), nanosleep() has the following advantages: it provides a higher resolution for specifying the sleep interval; POSIX.1 explicitly specifies that it does not interact with signals; and it makes the task of resuming a sleep that has been interrupted by a signal handle easier.

SUSv3 明文规定不得使用信号来实现该系统调用，因此不会担心它和 alarm/setitimer、sleep/usleep 相互影响。如果进程收到信号 nanosleep 也会提前返回。

POSIX 时钟 API

在 glibc 2.17 之前，想要使用 POSIX 时钟必须使用 -lrt 编译选项，以便和 librt 库链接。在 glibc 2.17 之后，只要和标准 C 链接（-lc）就可以了，我想这个行为应该是 gcc 默认的。

定时器 API 和睡眠 API 应该是 POSIX 时钟 API 的一部分，所以有必要先介绍一下 POSIX 时钟 API 基础部分。

获取和设定时钟时间

#include <time.h>

int clock_getres(clockid_t clockid, struct timespec *_Nullable res); // 获取时钟精度

int clock_gettime(clockid_t clockid, struct timespec *tp);
int clock_settime(clockid_t clockid, const struct timespec *tp);

clockid_t 是 SUSv3 规定的一种类型，该类型有一些系统定义的常量（可以用 man clock_getres 来查看）：

CLOCK_REALTIME  可设定的系统实时时钟
CLOCK_MONOTONIC 不可设置的稳定时钟，Linux 是参照系统开机后的时间来设置的
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID 当前进程 CPU 时间
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID  当前线程 CPU 时间
// ... 自成书以来 Linux 增加了不少时钟类型，这里略去

用 clock_settime 设置系统时钟时，进程需要有响应的特权。

获取其他进程或线程的 CPU 时间

我们已经知道用 CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID 和 CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID 可以分别获取当前进程和当前线程的 CPU 时间。如果想要获取其他进程或线程的 CPU 时间，需要先获取对应的时钟 id。

#include <time.h>

int clock_getcpuclockid(pid_t pid, clockid_t *clockid);

#include <pthread.h>
#include <time.h>

int pthread_getcpuclockid(pthread_t thread, clockid_t *clockid);

POSIX 定时器 API

• 创建定时器：timer_create。
• 设置定时器：timer_settime。
• 销毁定时器：timer_delete。

创建定时器

int timer_create(clockid_t clockid,
                struct sigevent *_Nullable restrict sevp,
                timer_t *restrict timerid);

其中类型为 struct sigevent * 的参数 sevp 功能就比较多了。其中 sevp.sigev_notify 支持四种字段：

• SIGEV_NONE：到期不异步通知。需要用 timer_gettime 主动检查。
• SIGEV_SIGNAL：到期产生信号。具体是什么信号由 sevp 中的其他字段指定。
• SIGEV_THREAD：到期执行函数。该函数应该被假设在新线程执行。（这个说法有点含糊，意思是说可以不在新的线程执行吗？）
• SIGEV_THREAD_ID：Linux 专有，到期产生信号发给特定的线程。

目前 Linux 中的 POSIX 定时器是用实时信号实现的，会占用用户可用实时信号的数量，同时定时器数量还受到排队实时信号数量的限制。

设置定时器

除了和特定的 timer 关联，以及有个 flags（目前是可以用来确定计时按照绝对时间还是相对时间）之外，其他的和 setitimer 的接口相差不大。

删除定时器

在 Linux 中删除定时器后，如果因定时器之前的到期已经有 pending 的信号，那么信号将保持这一状态不被清理。SUSv3 没有对此行为做出规范。

什么是定时器溢出

定时器相关的实时信号是特殊的（可以不用实时信号而去用标准信号）：

一旦选择通过信号来接收定时器通知，那么即便用了实时信号， 也绝不会对该信号的多个实例进行排队。相反，在接收信号后（无论是通过信号处理器函数还是调用 sigwaitinfo()），可以获取定时器溢出计数，即在信号生成与接收之间发生的定时器到期额外次数。

POSIX 睡眠 API

clock_nanosleep ~~曾经是 Linux 特有（？不确定），~~现在也被加入到 POSIX 标准中来了。

#include <time.h>

int clock_nanosleep(clockid_t clockid, int flags,
                   const struct timespec *request,
                   struct timespec *_Nullable remain);

从签名上面来看，clock_nanosleep 比 nanosleep 多出来两个参数：一个是时钟 id，一个是标志。标志可以填 TIMER_ABSTIME，这表示将使用绝对时间睡眠，这样可以规避软件时钟精度导致的、在循环中重启按相对时间睡眠的嗜睡（oversleeping）问题。

小结：老 API 和 POSIX API 的功能比较

可以看到 POSIX 标准带来的新的 API 都纠正了之前 API 只考虑单例（因为设计之初线程模型还没有普及）的缺陷。

定时器：timer_* (POSIX) > setitimer > alarm。

1. POSIX 定时器不会被 fork、不会跨越 exec。老的定时器 setitimer 和 alarm 虽然不会被 fork 但是会跨越 exec。
2. POSIX 定时器可以通过指定 flags 来使用绝对时间。

休眠：clock_nanosleep (POSIX) > nanosleep > usleep > sleep。其中 nanosleep 和 clock_nanosleep 不用信号实现。

Linux 专有的 timerfd_* API

始于版本 2.6.25，Linux 特有的 timerfd API，可从文件描述符中读取其所创建定时器的到期通知。由于形式上是文件描述符，所以可以和 select、poll、epoll 等结合使用。

#include <sys/timerfd.h>

int timerfd_create(int clockid, int flags);

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

以上 API 和 POSIX timer API 还是比较相似的。目前支持的 flags 有两个，一个是在 exec 时关闭文件描述符，另外一个是决定文件描述符在读取时是否阻塞。删除一个和定时器关联的 fd 则是使用 close 系统调用。