Linux C语言定时器setitimer()使用指南

1. 定时器在编程中的重要性

在许多应用场景中，我们需要按照一定的时间间隔执行特定的任务，或者在某个时间点触发某些操作。比如网络通信中的心跳检测，每隔一段时间发送一个心跳包以保持连接的活跃；游戏开发中，控制动画的帧更新频率；系统监控程序中，定时采集系统资源使用情况等。定时器为我们提供了一种有效的时间管理机制，使得程序能够在预定的时间执行相应的代码逻辑。

在 Linux 环境下使用 C 语言进行开发时，setitimer() 函数就是实现定时器功能的一个重要工具。它允许我们设置一次性定时器或者周期性定时器，以满足不同的应用需求。

2. setitimer() 函数概述

setitimer() 函数定义在 <sys/time.h> 头文件中，其函数原型如下：

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

• 参数 which：指定定时器类型，有以下三个取值：

  • ITIMER_REAL：以系统真实的时间来计算，它送出的信号是 SIGALRM。这种定时器在系统运行的真实时间流逝时触发，即使程序处于睡眠状态，时间也会正常计算。
  • ITIMER_VIRTUAL：以该进程在用户态下花费的时间来计算，它送出的信号是 SIGVTALRM。只有当进程在用户空间执行时，定时器才会计时，进程在内核态执行（如系统调用）或者睡眠时，定时器暂停计时。
  • ITIMER_PROF：以该进程在用户态和内核态下花费的时间之和来计算，它送出的信号是 SIGPROF。这个定时器会在进程在用户空间和内核空间执行时都进行计时。

• 参数 new_value：指向一个 struct itimerval 结构体，用于设置定时器的初始值和周期。struct itimerval 结构体定义如下：

struct itimerval {
    struct timeval it_interval; /* 下一次定时器到期的时间间隔 */
    struct timeval it_value;    /* 定时器的初始值 */
};

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

it_value 表示定时器第一次到期的时间，it_interval 表示后续每次定时器到期的时间间隔。如果 it_interval 设置为 0，定时器在第一次到期后就会停止。

• 参数 old_value：如果不为 NULL，函数会将定时器原来的设置保存到 old_value 指向的 struct itimerval 结构体中。

函数成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。常见的错误有 EFAULT（new_value 或 old_value 指针无效）、EINVAL（which 参数无效或者 new_value 中的时间值无效）等。

3. 使用 ITIMER_REAL 定时器

3.1 基本原理

ITIMER_REAL 定时器基于系统真实时间，无论进程处于何种状态，时间都会持续流逝。当定时器到期时，系统会向进程发送 SIGALRM 信号。我们可以通过信号处理函数来捕获这个信号，并在信号处理函数中执行我们需要的任务。

3.2 代码示例

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

// 信号处理函数
void alarm_handler(int signum) {
    static int count = 0;
    printf("Alarm signal (%d) received. Count: %d\n", signum, ++count);
}

int main() {
    struct itimerval new_value;
    struct itimerval old_value;

    // 注册信号处理函数
    signal(SIGALRM, alarm_handler);

    // 设置定时器初始值和周期
    new_value.it_value.tv_sec = 2; // 初始值为2秒
    new_value.it_value.tv_usec = 0;
    new_value.it_interval.tv_sec = 1; // 周期为1秒
    new_value.it_interval.tv_usec = 0;

    // 设置定时器
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, &old_value) == -1) {
        perror("setitimer");
        return 1;
    }

    // 程序进入循环，防止进程退出
    while (1) {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

在上述代码中：

1. 定义了一个信号处理函数 alarm_handler，用于处理 SIGALRM 信号。每次收到信号时，会打印信号编号和一个计数变量的值。
2. 在 main 函数中，首先注册了 SIGALRM 信号的处理函数。
3. 然后设置了 new_value 结构体，将定时器初始值设为 2 秒，周期设为 1 秒。
4. 调用 setitimer 函数设置定时器。如果设置失败，打印错误信息并退出程序。
5. 最后进入一个无限循环，使程序不会立即退出，以便定时器能够正常工作并触发信号。

4. 使用 ITIMER_VIRTUAL 定时器

4.1 基本原理

ITIMER_VIRTUAL 定时器只在进程在用户态执行时才会计时。当定时器到期，系统会向进程发送 SIGVTALRM 信号。这种定时器适用于只关心进程在用户空间执行时间的场景，比如统计某个用户态函数的执行时间。

4.2 代码示例

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

// 信号处理函数
void virtual_alarm_handler(int signum) {
    static int count = 0;
    printf("Virtual Alarm signal (%d) received. Count: %d\n", signum, ++count);
}

int main() {
    struct itimerval new_value;
    struct itimerval old_value;

    // 注册信号处理函数
    signal(SIGVTALRM, virtual_alarm_handler);

    // 设置定时器初始值和周期
    new_value.it_value.tv_sec = 2; // 初始值为2秒
    new_value.it_value.tv_usec = 0;
    new_value.it_interval.tv_sec = 1; // 周期为1秒
    new_value.it_interval.tv_usec = 0;

    // 设置定时器
    if (setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &new_value, &old_value) == -1) {
        perror("setitimer");
        return 1;
    }

    // 模拟用户态工作
    for (int i = 0; i < 10000000; ++i) {
        // 空循环，模拟用户态计算
    }

    return 0;
}

在这段代码中：

1. 定义了 virtual_alarm_handler 信号处理函数，用于处理 SIGVTALRM 信号。
2. 在 main 函数中，注册 SIGVTALRM 信号的处理函数。
3. 设置 new_value 结构体，配置定时器初始值和周期。
4. 调用 setitimer 设置 ITIMER_VIRTUAL 类型的定时器。
5. 通过一个大的空循环模拟用户态的工作，以便定时器能够在用户态执行期间计时并触发信号。

5. 使用 ITIMER_PROF 定时器

5.1 基本原理

ITIMER_PROF 定时器会统计进程在用户态和内核态下花费的时间总和。当定时器到期，系统会向进程发送 SIGPROF 信号。它常用于性能分析，帮助开发者了解进程在不同状态下的时间消耗情况。

5.2 代码示例

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

// 信号处理函数
void profile_alarm_handler(int signum) {
    static int count = 0;
    printf("Profile Alarm signal (%d) received. Count: %d\n", signum, ++count);
}

int main() {
    struct itimerval new_value;
    struct itimerval old_value;

    // 注册信号处理函数
    signal(SIGPROF, profile_alarm_handler);

    // 设置定时器初始值和周期
    new_value.it_value.tv_sec = 2; // 初始值为2秒
    new_value.it_value.tv_usec = 0;
    new_value.it_interval.tv_sec = 1; // 周期为1秒
    new_value.it_interval.tv_usec = 0;

    // 设置定时器
    if (setitimer(ITIMER_PROF, &new_value, &old_value) == -1) {
        perror("setitimer");
        return 1;
    }

    // 模拟用户态和内核态工作
    for (int i = 0; i < 10000000; ++i) {
        // 空循环，模拟用户态计算
        if (i % 1000000 == 0) {
            // 每100万次循环进行一次系统调用，模拟内核态工作
            sleep(1);
        }
    }

    return 0;
}

此代码中：

1. 定义了 profile_alarm_handler 信号处理函数来处理 SIGPROF 信号。
2. 在 main 函数中，注册 SIGPROF 信号处理函数。
3. 配置 new_value 结构体设置定时器的初始值和周期。
4. 使用 setitimer 设置 ITIMER_PROF 类型的定时器。
5. 通过一个大循环模拟用户态工作，并在循环中每隔一定次数进行一次 sleep 系统调用，模拟进程在内核态的工作，使 ITIMER_PROF 定时器能够统计到用户态和内核态的总时间并触发信号。

6. 定时器的控制与调整

6.1 暂停定时器

要暂停一个正在运行的定时器，可以将 new_value.it_value 和 new_value.it_interval 都设置为 0，然后调用 setitimer 函数。例如，对于一个 ITIMER_REAL 定时器：

struct itimerval new_value;
new_value.it_value.tv_sec = 0;
new_value.it_value.tv_usec = 0;
new_value.it_interval.tv_sec = 0;
new_value.it_interval.tv_usec = 0;
setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL);

这样就会停止定时器，并且不会再收到相应的定时器到期信号。

6.2 恢复定时器

恢复一个暂停的定时器，只需重新设置 new_value.it_value 和 new_value.it_interval 为非零值，并再次调用 setitimer 函数。例如：

struct itimerval new_value;
new_value.it_value.tv_sec = 2;
new_value.it_value.tv_usec = 0;
new_value.it_interval.tv_sec = 1;
new_value.it_interval.tv_usec = 0;
setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL);

这将恢复定时器，使其按照新设置的初始值和周期运行。

6.3 修改定时器周期

如果要修改定时器的周期，只需修改 new_value.it_interval 的值，然后调用 setitimer 函数。例如，将 ITIMER_REAL 定时器的周期从 1 秒改为 2 秒：

struct itimerval new_value;
// 获取当前定时器设置
setitimer(ITIMER_REAL, NULL, &new_value);
// 修改周期
new_value.it_interval.tv_sec = 2;
new_value.it_interval.tv_usec = 0;
// 设置新的定时器周期
setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL);

在上述代码中，首先通过 setitimer 函数获取当前定时器的设置（通过将 new_value 设为 NULL 来获取当前值），然后修改 it_interval 字段，最后再次调用 setitimer 设置新的周期。

7. 注意事项

7.1 信号处理函数的安全性

在信号处理函数中，要注意使用可重入函数。可重入函数是指可以被中断，并且在中断后再次调用不会出现数据错误的函数。例如，printf 函数在多线程环境下或者信号处理函数中使用时可能不安全，因为它可能会修改一些全局状态。更安全的选择可以是 write 函数。在信号处理函数中尽量避免使用复杂的逻辑和非可重入函数，以防止出现未定义行为。

7.2 定时器精度

虽然 setitimer 提供了微秒级别的计时精度，但实际的精度可能会受到系统负载、硬件等因素的影响。在高负载的系统中，定时器可能会有一定的误差。如果对时间精度要求极高，可能需要考虑使用更底层的硬件定时器或者更专业的时间管理库。

7.3 与多线程的交互

在多线程程序中使用定时器时，需要特别小心。定时器信号默认会发送给进程，而不是特定的线程。如果多个线程共享定时器相关的资源，可能会导致竞态条件。可以通过使用线程特定的数据（TSD）或者互斥锁来保护共享资源，确保定时器在多线程环境下的正确运行。

通过合理使用 setitimer() 函数，结合不同的定时器类型，我们能够在 Linux C 语言程序中实现灵活且高效的定时任务。无论是系统监控、网络编程还是游戏开发等领域，定时器都为我们提供了一种强大的时间管理工具。同时，在使用过程中注意上述提到的各种事项，能够使我们的程序更加健壮和可靠。