Linux 定时器 setitimer

阅读了《Unix/Linux系统编程》中关于定时器及时钟服务的部分，结合网上资料进行了整理

1. 相关概念

基于X86架构的个人计算机有数个定时器，包括实时时钟RTC、可编程间隔定时器PIT、多核CPU中的本地定时器、高分辨率定时器。

实时时钟RTC：RTC由一个小型备用电池供电，即使计算机关机时，它也能够连续运行。RTC用于实时提供时间和日期信息。由于RTC在电脑关机时继续运行，因此可以解释为什么开机后系统显示的时间与现实中保持一致。时间变量是一个长整数，即从1970年1月1日起经过的秒数。

2. 时钟相关系统调用与库函数

2.1 gettimeofday系统调用

返回当前时间即当前秒数和微秒数。其中秒数是相对于1970年1月1日0点所经过的秒数。

int gettimeofday(struct timeval * tv, struct timezone * tz)

参数tv指向一个timeval结构体变量，该变量保存返回的时间结果。

timeval结构体定义如下：tv_sec成员保存秒数，tv_usec成员保存微秒数
```
struct timeval{__time_t tv_sec;        /* Seconds.  */__suseconds_t tv_usec;   /* Microseconds.  */};
```
第二个参数类型timezone已过期，使用NULL即可。

2.2 settimeofday系统调用

设置系统时间

int settimeofday(const struct timeval *tv, const struct timezone *tz)

第一个参数tv即为要设置的系统时间
第二个参数类型timezone已过期，使用NULL即可

2.3 ctime库函数

以日历形式显示当前日期和时间。

char * ctime(const time_t * timer)

参数是指向 time_t 变量的指针，该变量即为从1970年开始的秒数。
返回值是一个C字符串，该字符串以日历形式表示当前日期和时间。

示例：获取当前时间并以日历形式显示

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
int main(){struct timeval t;gettimeofday(&t,NULL);//获取当前系统时间printf("cur time is : %s",ctime(&t.tv_sec));//以日历形式打印当前时间
}

运行结果

xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section5$ gcc test.c
xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section5$ ./a.out
cur time is : Sat Jun 19 10:38:22 2021

2.4 time系统调用

以秒为单位返回当前时间（从1970年到现在的秒数）。该系统调用缺点是时间精度是秒而不是微秒

time_t time(time_t * timer)

参数timer：如果该参数不是NULL，除了返回当前时间外，还将当前时间存储在timer中
返回值：当前时间

2.5 clock函数

返回程序执行起（一般为程序的开头）到调用该函数时，占用CPU的时间（时钟计时单元）

clock_t clock(void)

返回值是自程序启动起，处理器时钟所使用的时间。如果失败，则返回 -1 值。

在time.h文件中，还定义了一个常量CLOCKS_PER_SEC，用来表示一秒钟会有多少个时钟计时单元

#define CLOCKS_PER_SEC  ((clock_t) 1000000)

在Linux系统中，CLOCKS_PER_SEC表示的值可能不同。这里该宏定义表示1000000，因此每个时钟计时单元表示一微秒，即程序执行一微妙，clock函数的返回值就+1。

因此，为了获取 CPU 所使用的秒数，需要除以 CLOCKS_PER_SEC。

clock_t c = clock();//获取该程序从开始到现在占用CPU的时间（时钟计时单元）
printf("%f\n",(double)c/CLOCKS_PER_SEC);//打印出占用CPU的秒数

需要注意，clock返回的是占用CPU的时间，因此如果进程不是处于运行态（即不占用CPU时），那么该时间不算在clock返回值内

示例：进程sleep 5秒，然后打印占用CPU时间

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
int main(){sleep(5);clock_t c = clock();printf("%f\n",(double)c/CLOCKS_PER_SEC);
}

运行结果：可以看出该进程占用CPU时间仅有0.000618秒，即sleep的时间并不算在clock函数返回值内，因为进程sleep时不占用CPU。

xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section5$ gcc test.c
xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section5$ ./a.out
0.000618

2.6 times系统调用

参考资料

用于获取进程的具体执行时间，将结果保存在tms类型变量中

clock_t times(struct tms * buffer)

参数buffer：保存进程具体执行时间，tms结构体类型：

struct tms{clock_t tms_utime;  /* User CPU time.  进程在用户模式下花费 CPU 时间*/clock_t tms_stime;  /* System CPU time. 进程在系统模式（内核）下花费 CPU 时间 */clock_t tms_cutime; /* User CPU time of dead children. 已死掉子进程在用户模式下花费 CPU 时间*/clock_t tms_cstime; /* System CPU time of dead children.  已死掉子进程在系统（内核）模式下花费 CPU 时间*/
};

返回值：返回自过去某个任意时间点以来所经过的时钟刻度的数量。返回值可能溢出clock_t类型的时钟数。出错时，返回-1，并适当设置 errno。

2.7 间隔定时器

参考资料

Linux为每个进程提供了三种不同类型的间隔计时器，可用作进程计时。

通过setitimer系统调用创建间隔定时器

2.7.1 setitimer系统调用

创建间隔定时器。通过which参数指定不同种类的定时器，当间隔定时器到期时，会向进程发送一个信号（即为发送给进程进行处理的一个数字1-31），并将定时器重置为指定的间隔值

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

参数which：间隔定时器类型。总共有三种定时器类型
- ITIMER_REAL：实时定时器，以系统真实的时间来计算，到期时它发出SIGALRM（14）信号。
- ITIMER_VIRTUAL：以该进程在用户态下花费的CPU时间来计算，它发出SIGVTALRM（26）信号。
- ITIMER_PROF：以该进程在用户态下和内核态下所费的CPU时间来计算。它发出SIGPROF（27）信号。
参数new_value：指向itimerval结构体变量，用来对计时器进行设置。
```
struct itimerval{/* 定时器过期时放入'it_value'的值（定时器过期时重置的下一次间隔时长）。  */struct timeval it_interval;/* 当前时刻距离定时器下一次到期的时长（初始定时时间）。  */struct timeval it_value;};
```
其中timeval结构体：
```
struct timeval{__time_t tv_sec;        /* 秒  */__suseconds_t tv_usec;  /* 微秒  */};
```
setitimer工作机制是，先对it_value倒计时，当it_value为零时触发信号。然后重置为it_interval。继续对it_value倒计时。一直这样循环下去。

如果 new_value.it_value 中的任一字段不为零，则定时器在指定时间初始到期。如果 new_value.it_value 中的两个字段都为零，则定时器被解除。因此使用setitimer系统调用创建定时器时new_value.it_value中的两个字段不能都是0，不然就解除定时器了。

如果只指定it_value，即it_interval为零it_value大于0，仅仅会延时而不会定时（也就是说仅仅会触发一次信号)。
参数old_value：指向itimerval结构体变量。通常使用不上，即设置为NULL。用来存储上一次setitimer调用时设置的new_value值。

2.7.2 getitimer系统调用

函数getitimer()将由which指定的定时器的当前值放入cur_value指向的变量。

int getitimer(int __which, struct itimerval *cur_value)

cur_value.it_value是距离下一次到期还有多少时间。这个值随着定时器的倒计时而变化，并在定时器到期时被重置为 it_interval。如果it_value的两个字段都是零，那么这个定时器目前是被解除的（不活动）。

cur_value.it_interval为定时器的间隔值。如果it_interval的两个字段都是0，那么这是一个单次定时器（也就是说，它只延时一次，而不会定时间隔）。

2.7.3 间隔定时器示例

创建实时定时器

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
//信号处理函数
void func(int sig)
{printf("signal : %d\n",sig);
}
int main()
{signal(SIGALRM, func);//注册信号处理函数struct itimerval new_value;new_value.it_value.tv_sec = 1;//初始延时1秒new_value.it_value.tv_usec = 0;new_value.it_interval.tv_sec = 2;//定时器间隔2秒new_value.it_interval.tv_usec = 0;setitimer(ITIMER_REAL, &new_value, NULL);//创建定时器while(1);
}

需要注意ITIMER_REAL定时器无论进程是否正在执行都进行定时。而另外两种定时器ITIMER_VIRTUAL和ITIMER_PROF仅在占用CPU时才进行定时（即进程处于运行态时才计时）。如下面的例子：

创建ITIMER_PROF定时器，并将进程sleep 5秒后进入while(1)死循环

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
void func(int sig)
{printf("signal : %d\n",sig);
}
int main(int argc, char *argv[])
{signal(SIGPROF, func);struct itimerval new_value;new_value.it_value.tv_sec = 0;new_value.it_value.tv_usec = 1;//初始延时1微秒new_value.it_interval.tv_sec = 0;new_value.it_interval.tv_usec = 500000;//定时器间隔0.5sprintf("begin timer\n");setitimer(ITIMER_PROF, &new_value, NULL);sleep(5);//sleep 5秒printf("5 seconds left \n");while(1);
}

运行结果：可见进程在sleep时由于不占用CPU所以不会使得ITIMER_PROF计时

xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section5$ gcc test.c
xtark@xtark-vmpc:~/桌面/linux_study/section5$ ./a.out
begin timer
5 seconds left
signal : 27
signal : 27
signal : 27
signal : 27
signal : 27