Linux C/C++定时器的实现原理和使用方法

定时器的实现原理

定时器的实现依赖的是CPU时钟中断，时钟中断的精度就决定定时器精度的极限。一个时钟中断源如何实现多个定时器呢？对于内核，简单来说就是用特定的数据结构管理众多的定时器，在时钟中断处理中判断哪些定时器超时，然后执行超时处理动作。而用户空间程序不直接感知CPU时钟中断，通过感知内核的信号、IO事件、调度，间接依赖时钟中断。用软件来实现动态定时器常用数据结构有：时间轮、最小堆和红黑树。下面就是一些知名的实现：

• Linux内核的 Hierarchy 时间轮算法
• Asio C++ Library最小堆定时器实现
• nginx 使用红黑树结构管理定时器事件

Linux内核定时器相关(Linux v4.9.7, x86体系架构)的一些相关代码：

内核启动注册时钟中断

// @file: arch/x86/kernel/time.c - Linux 4.9.7
// 内核init阶段注册时钟中断处理函数
static struct irqaction irq0  = {
    .handler = timer_interrupt,
    .flags = IRQF_NOBALANCING | IRQF_IRQPOLL | IRQF_TIMER,
    .name = "timer"
};

void __init setup_default_timer_irq(void)
{
    if (!nr_legacy_irqs())
        return;
    setup_irq(0, &irq0);
}

// Default timer interrupt handler for PIT/HPET
static irqreturn_t timer_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    // 调用体系架构无关的时钟处理流程
    global_clock_event->event_handler(global_clock_event);
    return IRQ_HANDLED;
}

内核时钟中断处理流程

// @file: kernel/time/timer.c - Linux 4.9.7
/*
 * Called from the timer interrupt handler to charge one tick to the current
 * process.  user_tick is 1 if the tick is user time, 0 for system.
 */
void update_process_times(int user_tick)
{
    struct task_struct *p = current;

    /* Note: this timer irq context must be accounted for as well. */
    account_process_tick(p, user_tick);
    run_local_timers();
    rcu_check_callbacks(user_tick);
#ifdef CONFIG_IRQ_WORK
    if (in_irq())
        irq_work_tick();
#endif
    scheduler_tick();
    run_posix_cpu_timers(p);
}

/*
 * Called by the local, per-CPU timer interrupt on SMP.
 */
void run_local_timers(void)
{
    struct timer_base *base = this_cpu_ptr(&timer_bases[BASE_STD]);

    hrtimer_run_queues();
    /* Raise the softirq only if required. */
    if (time_before(jiffies, base->clk)) {
        if (!IS_ENABLED(CONFIG_NO_HZ_COMMON) || !base->nohz_active)
            return;
        /* CPU is awake, so check the deferrable base. */
        base++;
        if (time_before(jiffies, base->clk))
            return;
    }
    raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ); // 标记一个软中断去处理所有到期的定时器
}

内核定时器时间轮算法

单层时间轮算法的原理比较简单：用一个数组表示时间轮，每个时钟周期，时间轮 current 往后走一个格，并处理挂在这个格子的定时器链表，如果超时则进行超时动作处理，然后删除定时器，没有则剩余轮数减一。原理如图：

Linux 内核则采用的是 Hierarchy 时间轮算法，Hierarchy 时间轮将单一的 bucket 数组分成了几个不同的数组，每个数组表示不同的时间精度，Linux 内核中用 jiffies 记录时间，jiffies记录了系统启动以来经过了多少tick。下面是Linux 4.9的一些代码：

// @file: kernel/time/timer.c - Linux 4.9.7
/*
 * The timer wheel has LVL_DEPTH array levels. Each level provides an array of
 * LVL_SIZE buckets. Each level is driven by its own clock and therefor each
 * level has a different granularity.
 */

/* Size of each clock level */
#define LVL_BITS    6
#define LVL_SIZE    (1UL << LVL_BITS)

/* Level depth */
#if HZ > 100
# define LVL_DEPTH  9
# else
# define LVL_DEPTH  8
#endif

#define WHEEL_SIZE  (LVL_SIZE * LVL_DEPTH)

struct timer_base {
    spinlock_t      lock;
    struct timer_list   *running_timer;
    unsigned long       clk;
    unsigned long       next_expiry;
    unsigned int        cpu;
    bool            migration_enabled;
    bool            nohz_active;
    bool            is_idle;
    DECLARE_BITMAP(pending_map, WHEEL_SIZE);
    struct hlist_head   vectors[WHEEL_SIZE];
} ____cacheline_aligned;

Hierarchy 时间轮的原理大致如下，下面是一个时分秒的Hierarchy时间轮，不同于Linux内核的实现，但原理类似。对于时分秒三级时间轮，每个时间轮都维护一个cursor，新建一个timer时，要挂在合适的格子，剩余轮数以及时间都要记录，到期判断超时并调整位置。原理图大致如下:

定时器的使用方法

在Linux 用户空间程序开发中，常用的定期器可以分为两类：

1. 执行一次的单次定时器 single-short；
2. 循环执行的周期定时器 Repeating Timer；

其中，Repeating Timer 可以通过在Single-Shot Timer 终止之后，重新再注册到定时器系统里来实现。当一个进程需要使用大量定时器时，同样利用时间轮、最小堆或红黑树等结构来管理定时器。而时钟周期来源则需要借助系统调用，最终还是从时钟中断。Linux用户空间程序的定时器可用下面方法来实现：

• 通过alarm()或setitimer()系统调用，非阻塞异步，配合SIGALRM信号处理；
• 通过select()或nanosleep()系统调用，阻塞调用，往往需要新建一个线程；
• 通过timefd()调用，基于文件描述符，可以被用于 select/poll 的应用场景；
• 通过RTC机制, 利用系统硬件提供的Real Time Clock机制, 计时非常精确；

上面方法没提sleep()，因为Linux中并没有系统调用sleep()，sleep()是在库函数中实现，是通过调用alarm()来设定报警时间，调用sigsuspend()将进程挂起在信号SIGALARM上，而且sleep()也只能精确到秒级上，精度不行。当使用阻塞调用作为定时周期来源时，可以单独启一个线程用来管理所有定时器，当定时器超时的时候，向业务线程发送定时器消息即可。

一个基于时间轮的定时器简单实现

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define TIME_WHEEL_SIZE 8

typedef void (*func)(int data);

struct timer_node {
    struct timer_node *next;
    int rotation;
    func proc;
    int data;
};

struct timer_wheel {
    struct timer_node *slot[TIME_WHEEL_SIZE];
    int current;
};

struct timer_wheel timer = {{0}, 0};

void tick(int signo)
{
    // 使用二级指针删进行单链表的删除
    struct timer_node **cur = &timer.slot[timer.current];
    while (*cur) {
        struct timer_node *curr = *cur;
        if (curr->rotation > 0) {
            curr->rotation--;
            cur = &curr->next;
        } else {
            curr->proc(curr->data);
            *cur = curr->next;
            free(curr);
        }
    }
    timer.current = (timer.current + 1) % TIME_WHEEL_SIZE;
    alarm(1);
}

void add_timer(int len, func action)
{
    int pos = (len + timer.current) % TIME_WHEEL_SIZE;
    struct timer_node *node = malloc(sizeof(struct timer_node));

    // 插入到对应格子的链表头部即可, O(1)复杂度
    node->next = timer.slot[pos];
    timer.slot[pos] = node;
    node->rotation = len / TIME_WHEEL_SIZE;
    node->data = 0;
    node->proc = action;
}

 // test case1: 1s循环定时器
int g_sec = 0;
void do_time1(int data)
{
    printf("timer %s, %d\n", __FUNCTION__, g_sec++);
    add_timer(1, do_time1);
}

// test case2: 2s单次定时器
void do_time2(int data)
{
    printf("timer %s\n", __FUNCTION__);
}

// test case3: 9s循环定时器
void do_time9(int data)
{
    printf("timer %s\n", __FUNCTION__);
    add_timer(9, do_time9);
}

int main()
{
    signal(SIGALRM, tick);
    alarm(1); // 1s的周期心跳

    // test
    add_timer(1, do_time1);
    add_timer(2, do_time2);
    add_timer(9, do_time9);

    while(1) pause();
    return 0;
}

在实际项目中，一个常用的做法是新起一个线程，专门管理定时器，定时来源使用rtc、select等比较精确的来源，定时器超时后向主要的work线程发消息即可，或者使用timefd接口。

参考：

• Linux 下定时器的实现方式分析
• 浅析 Linux 中的时间编程和实现原理
• Linux 高性能服务器编程
• Linux下几种定时器的比较和使用
• 高性能服务器开发之C++定时器
• Linux 实现定时器
• 把握linux内核设计思想（六）：内核时钟中断
• linux2.6定时器的时间轮算法分析
• linux 内核定时器详解
• Nginx的定时事件的实现