Day 70：定时器与信号定时器的问题

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上一讲我们探讨了时间函数与时区陷阱，强调了统一使用UTC进行存储、展示时再转换本地时区，夏令时处理、线程安全API（如localtime_r）、以及时区数据库更新的重要性。

1. 主题原理与细节逐步讲解

C语言及POSIX提供多种定时器机制，包括：

信号定时器（如alarm()、setitimer()、timer_create()等）
轮询定时器（如在循环体内用gettimeofday(), sleep()或usleep()实现）
定时信号（如SIGALRM, SIGVTALRM, SIGPROF）

信号定时器的核心思想：在指定时间后，由系统向进程发送信号（如SIGALRM），用户可以通过信号处理函数（signal handler）响应定时事件。

典型API：

alarm(seconds)：seconds 秒后发送 SIGALRM 信号，仅支持一次性定时。
setitimer()：支持微秒级精度和周期性定时，可指定 ITIMER_REAL（真实时间），ITIMER_VIRTUAL（进程运行时间），ITIMER_PROF（进程加上系统时间）。
timer_create() / timer_settime()：POSIX高精度定时器，支持多定时器和信号通知。

2. 典型陷阱/缺陷及成因剖析

2.1 定时器被信号干扰或丢失

成因：

信号处理是异步的，如果多个定时器信号短时间内叠加，可能有信号被合并或丢失。
信号处理函数不可重入，若未正确保护，可能造成竞态或死锁。

2.2 重复设置定时器导致前一个定时器被取消

成因：

alarm()和setitimer()每次调用会覆盖之前的定时器，只能有一个同类定时器生效。
多模块代码互相调用alarm()，导致定时器混乱。

2.3 信号处理函数内调用非异步安全函数

成因：

在信号处理函数内调用如printf, malloc, free, exit等非异步安全函数，可能导致崩溃或行为未定义。

2.4 定时精度不保证

成因：

定时器到期受系统调度、信号排队影响，实际回调时间可能有显著延迟。
微秒级定时器在高负载或虚拟化环境下精度下降。

2.5 多定时器信号混淆

成因：

使用SIGALRM等通用信号，多个定时器无法区分来源，导致不同逻辑混淆。

2.6 进程/线程与定时器生命周期不一致

成因：

信号定时器与主线程生命周期绑定，fork/exec后定时器状态不一致，子进程、线程与主进程可能混乱。

3. 规避方法与最佳实践

优先选用timer_create()等POSIX定时器，支持多个独立定时器和带参数信号，避免混淆。
信号处理函数只做最简处理，如设置标志位，主循环定期检查并处理业务逻辑。
避免多模块直接调用alarm()/setitimer()，统一由主控调度。
信号处理函数内只用异步安全函数（见man 7 signal-safety），不可malloc/printf等。
考虑定时精度需求，关键业务应使用高分辨率定时器（如clock_gettime()结合主循环轮询）。
多线程场景推荐使用专用线程和条件变量、事件fd等机制实现定时，而不是信号。
定时器事件参数化设计，使用siginfo_t传递定时器标识，避免事件混淆。

4. 错误代码与优化代码对比

错误示例1：信号处理函数内做复杂操作

void sigalrm_handler(int signo) {
    printf("Timer expired!\n"); // 非异步安全
    // ... 复杂业务逻辑
}

int main() {
    signal(SIGALRM, sigalrm_handler);
    alarm(5);
    pause();
}

优化后：只设置标志位/写pipe/使用eventfd，主循环处理业务

volatile sig_atomic_t timer_expired = 0;

void sigalrm_handler(int signo) {
    timer_expired = 1; // 仅设置标志位
}

int main() {
    signal(SIGALRM, sigalrm_handler);
    alarm(5);
    while (!timer_expired) {}
    printf("Timer expired!\n");
}

错误示例2：多个alarm覆盖导致定时器丢失

alarm(10);
alarm(5); // 覆盖上一个定时器，只有5秒生效

优化后：用POSIX定时器，每个定时器独立

#include <signal.h>
#include <time.h>
void timer_handler(union sigval sv) {
    printf("Timer ID: %d expired\n", *(int*)sv.sival_ptr);
}

int main() {
    struct sigevent sev = {0};
    timer_t tid[2];
    int ids[2] = {1, 2};
    sev.sigev_notify = SIGEV_THREAD; // 线程方式回调
    sev.sigev_value.sival_ptr = &ids[0];
    timer_create(CLOCK_REALTIME, &sev, &tid[0]);
    struct itimerspec its = { {0,0}, {10,0} };
    timer_settime(tid[0], 0, &its, NULL);

    sev.sigev_value.sival_ptr = &ids[1];
    timer_create(CLOCK_REALTIME, &sev, &tid[1]);
    its.it_value.tv_sec = 5;
    timer_settime(tid[1], 0, &its, NULL);

    pause(); // 等待
}

错误示例3：信号定时器多线程混用

// 多线程环境下直接用 setitimer/alarm，可能引发混乱
setitimer(ITIMER_REAL, ...);

优化后：用专用定时线程+事件fd/条件变量，线程安全且可扩展

5. 底层原理补充

信号定时器由内核定时，到期后通过信号框架异步通知进程；信号仅能排队一次，短时间内多次到期只收到一个信号。
timer_create()可创建多个定时器，并通过siginfo_t传递定时器标识和参数，适合复杂场景。
信号处理函数受异步安全约束，见man 7 signal-safety。
轮询定时器不依赖信号，适合高精度和多线程场景，但需合理调度避免资源浪费。

6. 示意：定时器事件流

在这里插入图片描述

7. 总结与实际建议

信号定时器易丢失、合并信号、不支持多定时器并发，主流多线程/高并发建议用POSIX定时器或自定义轮询机制。
信号处理函数只做最简标志设置，避免异步安全问题。
定时器事件要参数化管理，避免多业务混淆。
高精度/高可靠需求场景用专用线程和事件通知机制实现定时。
合理选择定时器类型和API，理解实际精度和异步特性，保证业务稳定性。

核心建议：信号定时器虽便捷但隐藏诸多陷阱，实际工程应选用更安全、可扩展的定时机制，信号处理逻辑务必简化并异步安全。

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