定时器流程

1、itimerval——设置定时器的初值和周期值

2、setitimer——设置定时器

3、sigaction（）/signal（）——处理信号，执行定时功能

4、SIGALRM——触发信号

itimerval（设置定时器的初值和周期值）

itimerval 是一个结构体，它在 POSIX 兼容的操作系统中定义于 <sys/time.h> 头文件中。这个结构体用于 setitimer 系统调用，以便获取或设置进程的虚拟定时器和实时定时器。

结构体定义：

struct itimerval {
    struct timeval it_interval; /* 定时器重复触发的时间周期 */
    struct timeval it_value;    /* 从当前时间到定时器第一次触发的剩余时间 */
};

成员解释：

  • it_interval：这是一个 timeval 结构，它指定了定时器的间隔时间，即定时器重复触发的时间周期。timeval 结构包含两个字段：tv_sec（秒）和 tv_usec（微秒）。

  • it_value：这也是一个 timeval 结构，它指定了定时器的到期时间，即从当前时间到定时器第一次触发的剩余时间。

setitimer（设置定时器）

setitimer 是 UNIX 和类 UNIX 系统（包括 Linux）中的一个系统调用，用于设置进程的虚拟、实时或性能定时器。这个系统调用提供了一种机制，允许进程接收定时信号，例如，SIGALRM。

函数原型：

int setitimer(int which, const struct itimerspec *new_value, struct itimerspec *old_value);

参数：

  • which：指定要设置的定时器类型，可以是以下之一：
    • ITIMER_REAL：实时定时器，基于系统时钟。
    • ITIMER_VIRTUAL：虚拟定时器，基于进程的虚拟执行时间。
    • ITIMER_PROF：性能定时器，用于采样程序的执行时间。
  • new_value：指向 itimerspec 结构的指针，该结构包含两个 timespec 结构，分别指定定时器的初值和周期值。timespec 结构包含 tv_sec（秒）和 tv_nsec（纳秒）。
  • old_value：指向 itimerspec 结构的指针，用于存储定时器被设置前的旧值。如果设置为 NULL，则忽略旧值。

要使用 setitimer 创建一个周期性执行的任务，你需要设置定时器的初值（it_value）和周期值（it_interval），这两者都定义在 itimerspec 结构体中。周期值设置了定时器触发的频率，而初值设置了第一次触发前的时间间隔。

signal（）/ sigaction（）函数

在 UNIX 和类 UNIX 系统中，signal 和 sigaction 都是用来处理信号的函数。信号是一种特殊的软件中断，当程序接收到某些事件（比如用户按下 Ctrl+C 或者定时器到期）时，操作系统会发送信号给程序。

signal 是一个用于处理异步事件的机制，它允许程序对操作系统发送的信号进行响应。在 UNIX 和类 UNIX 系统（包括 Linux）中，信号是一种软件中断，用于通知进程发生了某个事件，如用户按下中断键（通常是 Ctrl+C），或者系统检测到一个错误条件。

信号可以由多种不同的源触发，包括硬件事件、软件条件或系统调用。它们通常用于中断正在执行的进程，以便进程可以采取适当的行动，比如清理资源、记录日志或优雅地终止。

捕获并自定义处理信号：进程可以通过 signal 函数来捕获信号，并为其定义自定义的处理函数。这个处理函数将在信号到达时被调用，如下。

// SIGALRM 信号处理函数
void signal_handler(int signum) {
    printf("SIGALRM received!\n");
    // 这里可以放置你想要周期性执行的代码
}

// 设置信号处理函数
signal(SIGALRM, signal_handler);

sigaction 函数是 signal 函数的现代替代品，它提供了更多的功能和更好的可移植性。

#include <signal.h>
void (*sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact))(int);

  • signum 是要处理的信号的编号。

  • act 是指向 sigaction 结构的指针，该结构定义了信号的处理方式。

  • oldact 是指向 sigaction 结构的指针，用于存储旧的信号处理函数。

使用 sigaction 时，可以更安全地处理信号，并且可以设置信号处理函数的额外属性，如 sa_mask（信号屏蔽字），sa_flags（信号处理标志），以及 sa_handler（信号处理函数）。

signal（）与 sigaction（）区别

signal 是较旧的函数，它有一些限制。例如，你不能在 signal 函数中使用某些会阻塞的函数，因为这可能会导致程序无法响应其他信号。而且，signal 函数本身的限制也比较多，比如它不能处理一些新的信号。

sigaction 是一个更新的函数，它解决了 signal 的一些问题。使用 sigaction，你可以更安全地处理信号，并且可以设置更多的信号处理选项。例如，可以告诉操作系统在处理信号时是否应该暂停其他信号的接收，这样可以避免在处理一个信号时被另一个信号打断。

SIGALRM（定时器信号）

SIGALRM（Signal Alarm）是一个在 UNIX 和类 UNIX 系统（包括 Linux）中广泛使用的信号，它用于处理定时器到期事件。当一个进程设置了闹钟（alarm clock），并在指定的时间间隔后，SIGALRM 信号会被发送给该进程。这个信号可以用来提醒进程执行某些操作，或者在特定的时间点触发某些事件。

示例

以下是一个简单的 C 程序示例，演示如何使用 setitimer 和 SIGALRM 信号来创建一个周期性的定时器：

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

// SIGALRM 信号处理函数
void signal_handler(int signum) {
    printf("SIGALRM received!\n");
    // 这里可以放置你想要周期性执行的代码
}

int main() {
    struct itimerspec its;

    // 设置信号处理函数
    signal(SIGALRM, signal_handler);

    // 设置定时器的周期值和初值
    its.it_value.tv_sec = 2;  // 2 秒后触发
    its.it_value.tv_nsec = 0;
    its.it_interval.tv_sec = 2; // 每隔 2 秒触发一次
    its.it_interval.tv_nsec = 0;

    // 使用 setitimer 设置定时器
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &its, NULL) == -1) {
        perror("setitimer failed");
        return 1;
    }

    // 无限循环，等待定时器触发
    while (1) {
        pause(); // pause 函数会使进程休眠，直到收到 SIGALRM 或其他信号
    }

    return 0;
}

在这个示例中，首先设置了一个信号处理函数 signal_handler 来处理 SIGALRM 信号。然后，使用 setitimer 函数设置了一个周期性的定时器，每隔 2 秒触发一次 SIGALRM 信号。最后，使用 pause 函数进入一个无限循环，等待信号的到来。

信号处理函数 signal_handler 是一个特殊的函数，它在信号到达时被操作系统调用。在这个例子中，signal_handler 函数只是简单地打印一条消息到控制台。每次定时器触发时，signal_handler 都会被调用一次。

注意事项 ：

  • 信号处理函数应该尽可能地短小，避免执行复杂的操作，因为这可能会影响系统的信号处理效率。
  • 在信号处理函数中，应该避免使用可能会阻塞的系统调用或库函数。
  • 如果需要长时间运行的操作，应该在信号处理函数中安排这些操作在进程的主体中异步执行。

设定定时器与 while 循环有本质的区别

  1. 异步执行： 信号处理函数是异步执行的，这意味着它们是由操作系统在信号到达时调用的，而不是程序的主执行流程（如 while 循环）的一部分。这意味着信号处理函数可以在程序的任何地方被调用，而不仅仅是在 while 循环中。

  2. 实时性： 使用 setitimer 和信号处理函数可以确保某些操作以固定的频率发生，即使程序的主线程正在忙于其他任务。这在需要实时响应的情况下非常有用，例如在嵌入式系统或实时操作系统中。

  3. 主线程的阻塞： while 循环会阻塞程序的主线程，直到循环条件不再满足。在循环内部执行的任务会连续不断地运行，直到循环结束。而信号处理函数则是在 while 循环之外独立执行的，它们不会阻塞主线程，也不会影响主线程的执行顺序。

  4. 周期性任务的实现方式： 在 while 循环中实现周期性任务通常需要在循环内部使用延时函数（如 sleep），这会导致程序的整体执行速度降低，因为主线程必须等待延时结束才能继续执行。而使用 setitimer 和信号处理函数，周期性任务是由操作系统在后台管理的，不会影响主线程的执行。

总结来说，setitimer 和信号处理函数提供了一种异步和实时的方式来周期性地执行任务，而 while 循环提供了一种同步和阻塞的方式来执行任务。选择哪种方式取决于具体需求和程序的设计。