【Linux】定时器发出的SIGALRM信号与sleep、usleep、select、poll等函数冲突的解决办法

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一、定时器的使用简介
二、使用定时器将带来的问题
三、以上问题的解决办法

1.通过多线程解决
2.通过写延时函数解决

2.1 解决sleep、usleep函数
2.2 解决select、poll函数

四、总结

在Linux应用编程时，有需要用到定时器的场合，类似于单片机内的定时器中断——规定时间到了之后执行特定代码。

一、定时器的使用简介

以下为定时器的一个简单例子，初始化定时器后每隔一秒调用一次TimerFuc进行打印。

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

void TimerFuc()
{
    time_t tick;
    tick = time(NULL);
    printf("[Tick:%d]This is TimeFuc\n",tick);
}

void InitTimer()
{
	struct itimerval tTimer;
	memset((void *)&tTimer,0,sizeof(tTimer));

    //初始化1us后启动定时器，定时周期1s
    tTimer.it_value.tv_sec = 0;
    tTimer.it_value.tv_usec = 1;
    tTimer.it_interval.tv_sec = 1;
    tTimer.it_interval.tv_usec = 0;
	
	//绑定
	signal(SIGALRM, &TimerFuc);
	setitimer(ITIMER_REAL, &tTimer, NULL);
}

int main()
{
    InitTimer();

    while(1)
    {

    }

    return 0;
}

在InitTimer初始化定时器函数中，定义struct itimerval结构体，如下阅读其头文件的说明，可知it_interval为定时器截止后的重载值，也可以理解为该定时器的周期；it_value可以理解为倒计时，定时器开启后，将递减it_value的值，当其减到0时发出信号，并将it_value重新赋为it_interval，然后继续递减。这和单片机中的递减定时器非常相似。
signal(SIGALRM, &TimerFuc)则将SIGALRM与“中断函数”TimerFuc绑定到了一起，即每次发出SIGALRM信号，就执行TimerFuc。

/* Type of the second argument to `getitimer' and
   the second and third arguments `setitimer'.  */
struct itimerval
  {
    /* Value to put into `it_value' when the timer expires.  */
    struct timeval it_interval;
    /* Time to the next timer expiration.  */
    struct timeval it_value;
  };

配置好定时器后，如程序中配置，1us后触发一次TimerFuc，之后每1秒触发一次TimerFuc，之后需要通过setitimer来开启定时器。先看看setitimer的原型：

/* Set the timer WHICH to *NEW.  If OLD is not NULL,
   set *OLD to the old value of timer WHICH.
   Returns 0 on success, -1 on errors.  */
extern int setitimer (__itimer_which_t __which,
		      const struct itimerval *__restrict __new,
		      struct itimerval *__restrict __old) __THROW;

其有三个参数：
1.__which，表示定时器截止后将发出什么信号，这里有三个枚举值:
(1)ITIMER_REAL, //Timers run in real time. 以系统真实的时间来计算，它送出SIGALRM信号;
(2)ITIMER_VIRTUAL,//Timers run only when the process is executing. 以该进程在用户态下花费的时间来计算，即该进程占用CPU的时间，它送出SIGVTALRM信号；
(3)ITIMER_PROF，//Timers run when the process is executing and when the system is executing on behalf of the process. 以该进程在用户态下和内核态下所费的时间来计算。它送出SIGPROF信号。
2.__new： 传入配置好的定时器配置，让定时器工作在配置好的延时、周期下；
3.__old 通常用不上，设置为NULL，它是用来存储上一次setitimer调用时设置的new_value值。

以上，我们开启了定时器，由于setitimer的第一个参数为ITIMER_REAL,故定时器将在规定的截至时间时发出SIGALRM信号，而我们又把SIGALRM绑定到了TimerFuc函数。由此一来，一个简单的“定时器中断”形成了。

运行结果，每隔一秒打印一次:

wy@wy-VirtualBox:~/test/timertest$ ./a.out 
[Tick:1595225445]This is TimeFuc
[Tick:1595225446]This is TimeFuc
[Tick:1595225447]This is TimeFuc
[Tick:1595225448]This is TimeFuc
[Tick:1595225449]This is TimeFuc
[Tick:1595225450]This is TimeFuc
[Tick:1595225451]This is TimeFuc

二、使用定时器将带来的问题

由于我们在使用定时器时，大多时候想使周期时间以系统时间为准。故setitimer的第一个参数只能选择ITIMER_REAL，否则定时器周期将会不稳定增长。如我设定1秒的周期，若setitimer的第一个参数为ITIMER_VIRTUAL，那么实际定时器的周期会大于1秒，因为ITIMER_VIRTUAL只在该进程占有CPU时进行定时器递减；而若setitimer的第一个参数为ITIMER_PROF，那么周期仍会略微大于1秒，因为只在该进程占用CPU时，以及运行内核调度时进行定时器递减。
那么既然选择了ITIMER_REAL，定时器递减到0时将发出SIGALRM信号。不要小看这个SIGALRM信号，通过阅读说明、源码看出，linux中的sleep、usleep、select、poll等函数的超时结果均也是使用的SIGALRM作为结束信号。若你的定时器按一定周期一直在发SIGALRM信号，那么以上几个函数均有极大可能被提前打断，当你的定时器周期设的很短，比如10ms时，以上几个函数几乎变得不可使用。
可以通过下面这个实验验证，将刚刚的代码做以下修改。在while(1)中循环打印，并在其中使用sleep函数期望这个打印以一定周期进行。

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

void TimerFuc()
{
    time_t tick;
    tick = time(NULL);
    printf("[Tick:%d]This is TimeFuc\n",tick);
}

void InitTimer()
{
	struct itimerval tTimer;
	memset((void *)&tTimer,0,sizeof(tTimer));

    //初始化1us后启动定时器，定时周期1s
    tTimer.it_value.tv_sec = 0;
    tTimer.it_value.tv_usec = 1;
    tTimer.it_interval.tv_sec = 1;
    tTimer.it_interval.tv_usec = 0;
	
	//绑定
	signal(SIGALRM, &TimerFuc);
	setitimer(ITIMER_REAL, &tTimer, NULL);
}

int main()
{
    InitTimer();
    time_t tick;
    
    while(1)
    {
        sleep(2);
        tick = time(NULL);
        printf("[Tick:%d]This is in while(1)\n",tick);
    }

    return 0;
}

运行结果如下：

wy@wy-VirtualBox:~/test/timertest$ ./a.out 
[Tick:1595226677]This is TimeFuc
[Tick:1595226677]This is in while(1)
[Tick:1595226678]This is TimeFuc
[Tick:1595226678]This is in while(1)
[Tick:1595226679]This is TimeFuc
[Tick:1595226679]This is in while(1)
[Tick:1595226680]This is TimeFuc
[Tick:1595226680]This is in while(1)
[Tick:1595226681]This is TimeFuc
[Tick:1595226681]This is in while(1)
[Tick:1595226682]This is TimeFuc
[Tick:1595226682]This is in while(1)

我们发现，This is in while(1)根本不是按预想的2秒周期打印，为什么，因为他在sleep时，被定时器发出的SIGALRM打断了。那么在sleep周期短于定时器周期时，sleep实际的睡眠时间将变成定时器的周期。同样的usleep、selet、poll这几个重要函数，将也变得无法正常使用。

三、以上问题的解决办法

1.通过多线程解决

可以将定时器初始化移植多线程中，并在主线程中屏蔽SIGALRM信号解决。这样一来，多线程中来了SIGALRM信号该怎么处理怎么处理，主线程中来了SIGALRM信号直接无视，从而就不存在SIGALRM打断sleep的问题了。
实现代码如下：

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

void TimerFuc()
{
    time_t tick;
    time(&tick);
    printf("[Tick:%d]This is TimeFuc\n",tick);
}

void InitTimer()
{
	struct itimerval tTimer;
	memset((void *)&tTimer,0,sizeof(tTimer));

    //初始化1us后启动定时器，定时周期1s
    tTimer.it_value.tv_sec = 0;
    tTimer.it_value.tv_usec = 1;
    tTimer.it_interval.tv_sec = 1;
    tTimer.it_interval.tv_usec = 0;
	
	//绑定
	signal(SIGALRM, &TimerFuc);
	setitimer(ITIMER_REAL, &tTimer, NULL);

}

void f_thr_timer()
{
    InitTimer();
    while(1);
}

int main()
{
    
    time_t tick;
    

    pthread_t thr_timer;
    pthread_create(&thr_timer,NULL,f_thr_timer,NULL);
    pthread_detach(thr_timer);
    
    sigset_t set;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set,SIGALRM);
    pthread_sigmask(SIG_SETMASK,&set,NULL);


    while(1)
    {
        sleep(2);
        tick = time(NULL);
        printf("===================================[Tick:%d]This is in while(1)\n",tick);
    }

    return 0;
}

主要就是创建了一个线程，将定时器初始化、定时器处理函数移到了多线程中。然乎在主线程中对SIGALRM信号进行了屏蔽。运行程序结果如下：

wy@wy-VirtualBox:~/test/timertest$ ./a.out 
[Tick:1595230890]This is TimeFuc
[Tick:1595230891]This is TimeFuc
===================================[Tick:1595230892]This is in while(1)
[Tick:1595230892]This is TimeFuc
[Tick:1595230893]This is TimeFuc
[Tick:1595230894]This is TimeFuc
===================================[Tick:1595230894]This is in while(1)
[Tick:1595230895]This is TimeFuc
[Tick:1595230896]This is TimeFuc
===================================[Tick:1595230896]This is in while(1)
[Tick:1595230897]This is TimeFuc
[Tick:1595230898]This is TimeFuc
===================================[Tick:1595230898]This is in while(1)
[Tick:1595230899]This is TimeFuc
[Tick:1595230900]This is TimeFuc
===================================[Tick:1595230900]This is in while(1)
[Tick:1595230901]This is TimeFuc
[Tick:1595230902]This is TimeFuc
===================================[Tick:1595230902]This is in while(1)

可以看到定时器触发的打印每一秒打印一次。而主线程的while(1)中的打印也按sleep(2)进行打印，没有受到SIGALRM信号的影响。
由上得出结论：使用定时器使时其移至一个单独的线程，然后在需要调用sleep、usleep、select、poll函数的线程中屏蔽SIGALRM信号即可。

2.通过写延时函数解决

2.1 解决sleep、usleep函数

也可以通过自己写阻塞函数来模拟sleep与usleep。延时函数使用gettimeofday函数实现，代码如下所示：

void usSleep(int nUs)
{
	struct timeval begin;
	struct timeval now;
	int pastUs = 0;
	gettimeofday(&begin,NULL);
	now.tv_sec = begin.tv_sec;
	now.tv_usec = begin.tv_usec;
	while(pastUs < nUs)
	{
		gettimeofday(&now,NULL);
		pastUs = (now.tv_sec - begin.tv_sec) * 1000000 - begin.tv_usec + now.tv_usec;
				 
	}
}

这样一来，sleep和usleep均可使用这个函数来实现，由于不再依赖SIGALRM信号，故不会被定时器发出的SIGALRM信号打断，精度达到微秒级，比较实用。

2.2 解决select、poll函数

由于用read读字符终端设备、网络socket、管道时都是默认阻塞的，所以在使用read函数使往往需要配合select、poll函数实现，这两个函数均有一个timeout，当timeout内read的描述符仍无可读数据时，将返回错误，以不至于傻傻的阻塞在read函数上。
既然了解了select、poll的原理，那么我们也可以自己写一个简单的方法来模拟。首先在打开设备时,open的第二个参数要或上O_NONBLOCK，如:

open(ttyName,O_RDWR | O_NONBLOCK)

表示以非阻塞方式打开文件，那么在read时，若不可读则会瞬间返回-1.所以模拟select、poll的方法可如下编写：

int my_poll(int fd,int timeout_ms,unsigned char *des,int len)
{
    int res = 0;

    if(timeout_ms <= 0)
    {
        return res;
    }

    while(timeout_ms--)
    {
        res = read(fd,des,len);
        if(res > 0)
        {
            break;
        }
        usSleep(1000);
    }

    return res;
}

四个参数：
1.fd，文件描述符；
2.timeout_ms，等待fd可读的超时时间；
3.des，读的目的地址，即目的buffer；
4.欲读出的长度，一般为buffer的长度；
返回值：
-1：timeout时间内未读出数据；
0：timeout时间内未读出数据；
大于0：读出的数据长度。

四、总结

1.可以使用setitimer实现定时器，但要注意SIGALRM对特殊函数的影响；
2.可利用多线程的方式解决定时器SIGALRM对特殊函数的影响；
3.可通过自己编写延时函数解决定时器SIGALRM对特殊函数的影响；
4.应优先使用方法2.