Linux 下定时器的实现分析

Linux下定时器的实现方式分析

简介：定时器属于基本的基础组件，不管是用户空间的程序开发，还是内核空间的程序开发，很多时候都需要有定时器作为基础组件的支持，但使用场景的不同，对定时器的实现考虑也不尽相同，本文讨论了在Linux环境下，应用层和内核层的定时器的各种实现方法，并分析了各种实现方法的利弊以及适宜的使用环境。

概论

定时器属于基本的基础组件，不管是用户空间的程序开发，还是内核空间的程序开发，很多时候都需要有定时器作为基础组件的支持，但使用场景的不同，对定时器的实现考虑也不尽相同，本文讨论了在Linux环境下，应用层和内核层的定时器的各种实现方法，并分析了各种实现方法的利弊以及适宜的使用环境。

首先，给出一个基本模型，定时器的实现，需要具备以下几个行为，这也是在后面评判各种定时器实现的一个基本模型[1]：

StartTimer(Interval,TimerId,ExpiryAction)

注册一个时间间隔为Interval后执行ExpiryAction的定时器实例，其中，返回TimerId以区分在定时器系统中的其他定时器实例。

StopTimer(TimerId)

根据TimerId找到注册的定时器实例并执行Stop。

PerTickBookkeeping()

在一个Tick内，定时器系统需要执行的动作，它最主要的行为，就是检查定时器系统中，是否有定时器实例已经到期。注意，这里的Tick 实际上已经隐含了一个时间粒度(granularity)的概念。

ExpiryProcessing()

在定时器实例到期之后，执行预先注册好的ExpiryAction行为。

上面说了基本的定时器模型，但是针对实际的使用情况，又有以下2种基本行为的定时器：

Single-Shot Timer

这种定时器，从注册到终止，仅仅只执行一次。

Repeating Timer

这种定时器，在每次终止之后，会自动重新开始。本质上，可以认为Repeating Timer是在Single-Shot Timer终止之后，再次注册到定时器系统里的Single-Shot Timer，因此，在支持Single-Shot Timer的基础上支持Repeating Timer并不算特别的复杂。

基于链表和信号实现定时器(2.4版内核情况下)

在2.4的内核中，并没有提供POSIX timer［2］的支持，要在进程环境中支持多个定时器，只能自己来实现，好在Linux提供了setitimer(2)的接口。它是一个具有间隔功能的定时器(interval timer)，但如果想在进程环境中支持多个计时器，不得不自己来管理所有的计时器。setitimer(2)的定义如下：

memset(&timer_list,0,sizeof(struct timer_list));

LIST_INIT(&timer_list.header);

timer_list.max_num=count;

/*Register our internal signal handler and store o

if((timer_list.old_sigfunc=signal(SIGALRM,sig_f

return-1;

}

timer_list.new_sigfunc=sig_func;

/*Setting our interval timer for driver our mutil-time timer_list.value.it__sec=TIMER_START;

timer_list.value.it__usec=0;

timer_list.value.it__sec=TIMER_TICK;

timer_list.value.it__usec=0;

ret=setitimer(ITIMER_REAL,&timer_list.value,&ti

return ret;

}

/**

*Destroy the timer list.

*

*@return0means ok,the other means fail.

*/

int destroy_timer(void)

{

struct timer*node=NULL;

if((signal(SIGALRM,timer_list.old_sigfunc))==SI

return-1;

}

if((setitimer(ITIMER_REAL,&timer_list.ovalue,&tim

return-1;

}

中，各节点的值都不小于该子树根节点的值。一个最小堆的例子如下图2：

图2.最小堆

一个最小堆，一般支持以下几种操作：

Insert(TimerHeap,Timer):在堆中插入一个值，并保持最小堆性质，具体对应于定时器的实现，则是把定时器插入到定时器堆中。根据最小堆的插入算法分析，可以知道该操作的时间复杂度为O(lgn)。

Minimum(TimerHeap):获取最小堆的中最小值；在定时器系统中，则是返回定时器堆中最先可能终止的定时器。由于是最小堆，只需返回堆的

撞针则撞击枪膛，如果枪膛中有子弹，则会被击发；与之相对应的是：对于PerTickBookkeeping，其最本质的工作在于以Tick为单位增加时钟，如果发现有任何定时器到期，则调用相应的ExpiryProcessing。设定一个循环为N个Tick单元，当前时间是在S个循环之后指向元素i (i>=0and i<=N-1)，则当前时间(Current Time)Tc可以表示为：Tc= S*N+i；如果此时插入一个时间间隔(Time Interval)为Ti的定时器，设定它将会放入元素n(Next)中，则n=（Tc+Ti）mod N=(S*N+i+ Ti)mod N=(i+Ti)mod N。如果我们的N足够的大，显然StartTimer，StopTimer，PerTickBookkeeping时，算法复杂度分别为O(1)，O(1)，O(1)。在[5]中，给出了一个简单定时器轮实现的定时。下图3是一个简单的时间轮定时器：

图3.简单时间轮

如果需要支持的定时器范围非常的大，上面的实现方式则不能满足这样的需求。因为这样将消耗非常可观的内存，假设需要表示的定时器范围为：0–2^3-1ticks，则简单时间轮需要2^32个元素空间，这对于内存