C++编程实践——再谈timerFD

原创于 2025-11-06 12:11:00 发布 · 579 阅读

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一、介绍

在前面的文章中，对timerFD的应用进行过几次分析和举例，这次将其总结一下，特别是与刚刚分析过的eventFD整体对比学习一下，会让大家能够更好的掌握相关的技术细节。timerfd通过将定时器抽象为一个文件描述符，打通了定时器处理与其它IO处理的通道。这样，就可以把相关定时器应用到IO多路复用机制中。统一了编程模型，降低了编程的复杂度。

二、timerFD

timerFD内核中的定义如下：

struct timerfd_ctx {
    struct hrtimer tmr;     //高精度定时器
    ktime_t tintv;          // 时间间隔
    wait_queue_head_t wqh;  // 定时器等待队列
    uint64_t ticks;         // 计数器
    int clockid;            // 定时器类型
};

这里需要说明的主要是定时器的类型，主要有以下几种：

CLOCK_REALTIME
系统实时时间，可能会因NTP调整或系统时间修改而跳变。一般应用于绝对时间的场景
CLOCK_MONOTONIC
单调递增时钟，不受系统时间调整影响，不过在系统挂起时会停止计时，大多数的时钟应用如时间间隔和超时等都可以应用
CLOCK_BOOTTIME
单调递增时钟，但在系统挂起期间也会持续计时。应用也很清楚，即需要将系统休眠时间也计算在内的定时任务。
CLOCK_REALTIME_ALARM
类似CLOCK_REALTIME，但可以在系统挂起时可以唤醒系统（当然可能需要相关权限），它一般用于闹钟类应用

三、计时的应用

无论是在Windows平台还是Linux平台，都有自己的定时器接口，比如Windows平台的SetTimer，CreateTimerQueueTimer等；Linux平台有setitimer，timer_create等。其中Linux平台中，还包括本文提到的timerFD。其工作原理主要分为以下几步：

创建定时器上下文
开发者可以调用timerfd_create()接口在内核中创建timerfd_ctx的实例并初始化
启动定时器
然后使用timerfd_settime()可以设置第一次到期时间和超时间隔，内核会将设置的参数应用到hrtimer
超时回调
当定时器对象的的高精度定时器hrtimer到期时，内核会调用回调函数并处理计数器，同时唤醒在等待队列上的阻塞的进程
用户接口调用读取
最后，就可以通过多路复用的read等接口（epoll等）来获取定时器的ticks，从而提供给上层展开相关的应用

四、特点

既然有那么多的定时器为什么还要创造一个timerFD的呢？主要原因就是其有着很多特点：

统一了事件模型，将事件模型的应用完全抽象
提供了高精度的定时器，支持纳秒级别的定时器精度
避免了信号竞争，即与传统的信号定时器相比，其通过文件描述符进行事件触发，避免了信号处理的复杂性
线程安全，天然支持多线程

当然，有优势必然有不足的地方，主要包括：

文件资源句柄的限制
timerfd是一个文件描述符，如果大规模的使用定时器，特别是再和网络句柄等混合应用时，可能就会受到整体资源影响
创建的开销较大
由于timerfd的创建和处理都需要和内核打交道，所以其耗费的时间周期相对较长，比上层应用的定时器要慢至少一个量级

五、例程

虽然在前面分析timerFD给出过几个例程，但此处再给一个简单的例程供大家借鉴分析：

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

int main() {
    int tfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);
    if (tfd == -1) {
        printf("timerfd_create err!\n");
        return -1;
    }

    struct itimerspec setValue;
    setValue.it_value.tv_sec = 1;
    setValue.it_value.tv_nsec = 0;
    setValue.it_interval.tv_sec = 1;
    setValue.it_interval.tv_nsec = 0;

    if (timerfd_settime(tfd, 0, &setValue, NULL) == -1) {
        printf("timerfd_settime err!\n");
        close(tfd);
        return -1;
    }

    while (1) {
        uint64_t expir;
        ssize_t s = read(tfd, &expir, sizeof(expir));
        if (s != sizeof(expir)) {
            printf("read tfd err!\n");
            break;
        }
        printf("timer callback : %lu\n", expir);
    }

    close(tfd);
    return 0;
}