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C语言定时器编程深入研究

时间：2024-09-21 09:20:36浏览次数：10  
标签：定时器 tv 编程 timer C语言 handler sa include

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定时器是操作系统提供的用于计时的功能之一，常用于控制程序中的延时操作或周期性任务。本篇文章将详细介绍如何使用C语言处理定时器，包括基本的定时器设置方法、自定义定时器处理函数以及一些高级主题。

1. 引言

定时器是操作系统向进程提供的一个用于计时的功能。在C语言中，定时器编程通常涉及设置特定的时间间隔，在该时间间隔结束后执行特定的操作。本指南旨在提供一个全面的框架，帮助读者深入了解定时器编程的基本原理和实践技巧。

2. 定时器基础

2.1 定时器类型

在C语言中，有几种不同的定时器可以使用，主要包括：

  • 基于信号的定时器：使用alarm()函数设置。
  • 基于setitimer()的定时器：使用setitimer()函数设置，可以设置重复执行的定时器。
使用alarm()函数

alarm()函数用于设置一个一次性定时器，当定时器超时时，会发送SIGALRM信号给进程。

#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void alarm_handler(int signum) {
    printf("Alarm expired!\n");
    // 进行清理工作后退出
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

int main() {
    signal(SIGALRM, alarm_handler); // 设置SIGALRM信号处理函数
    alarm(5); // 设置5秒定时器
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}
使用setitimer()函数

setitimer()函数允许设置一次性或周期性的定时器，可以更灵活地控制定时器的行为。

#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

3. 自定义定时器处理

3.1 使用alarm()函数

alarm()函数提供了一个简单的定时器机制，但在实际应用中可能需要更灵活的控制。

#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void alarm_handler(int signum) {
    printf("Alarm expired!\n");
    // 重新设置定时器
    alarm(5); // 再次设置5秒定时器
}

int main() {
    signal(SIGALRM, alarm_handler); // 设置SIGALRM信号处理函数
    alarm(5); // 设置5秒定时器
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

3.2 使用setitimer()函数

setitimer()函数提供了更多控制选项，可以设置一次性或周期性的定时器。

#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4. 高级主题

在这里插入图片描述

4.1 定时器精度

定时器的实际精度可能会受到操作系统和硬件的限制。可以通过调整定时器值来尽可能接近所需的精度。

调整定时器精度
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 0; // 0 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 1000000; // 1 second
    timer.it_interval.tv_sec = 0; // 0 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 1000000; // repeat every 1 second
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.2 定时器与信号处理

定时器通常与信号处理相结合，以便在定时器到期时执行特定的操作。

信号处理函数
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.3 定时器与多线程

在多线程环境中，定时器可以被任何线程捕获。为了确保定时器处理的一致性，可以使用pthread_sigmask()函数来控制信号的传递。

多线程环境中的定时器同步
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/time.h>

void *worker_thread(void *arg) {
    // 阻塞SIGALRM信号
    sigset_t mask;
    sigemptyset(&mask);
    sigaddset(&mask, SIGALRM);
    pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);
    
    // 线程主循环
    while (1) {
        // ...
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 进行清理工作
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, worker_thread, NULL);
    
    // 在主线程中处理SIGALRM信号
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 主线程主循环
    }
    return 0;
}

4.4 定时器与资源管理

定时器经常用于控制资源的分配和回收，例如定期检查文件更新或网络连接状态。

资源管理示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Checking resources...\n");
    // 检查资源状态
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 60; // 60 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 60; // repeat every 60 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.5 定时器与系统监控

定时器可以用于监控系统的运行状态，例如定期检查CPU负载或磁盘空间。

系统监控示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Monitoring system...\n");
    // 检查系统状态
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 60; // 60 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 60; // repeat every 60 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.6 定时器与实时系统

在实时系统中，定时器的精确度尤为重要。可以使用clock_gettime()和clock_settime()函数来获得更精确的时间值。

实时系统示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>

void timer_handler(int signum) {
    struct timespec ts;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
    printf("Timer expired at %ld seconds and %ld nanoseconds\n",
           ts.tv_sec, ts.tv_nsec);
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.7 定时器与中断处理

在嵌入式系统中，定时器可以用来触发中断，从而实现对硬件设备的控制。

中断处理示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 触发硬件中断
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.8 定时器与同步

定时器可以与其他同步机制一起使用，例如条件变量，以实现更复杂的同步逻辑。

同步示例
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("Timer expired\n");
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

int main() {
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        // 处理同步后的操作
    }
    return 0;
}

4.9 定时器与并发

定时器可以与其他并发机制结合使用，例如互斥锁，以确保在多线程环境中的正确同步。

并发示例
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("Timer expired\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

int main() {
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 进行操作
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return 0;
}

4.10 定时器与性能优化

定时器的性能优化可以通过减少不必要的上下文切换和提高定时器精度来实现。

性能优化示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 减少不必要的上下文切换
        // 提高定时器精度
    }
    return 0;
}

4.11 定时器与硬件抽象层

在硬件抽象层中，定时器可以用来驱动硬件设备，如定时读取传感器数据。

硬件抽象层示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 读取硬件设备
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.12 定时器与网络协议栈

定时器可以用于网络协议栈中，例如维护TCP连接的活跃状态。

网络协议栈示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 维护网络连接
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.13 定时器与软件定时器

除了硬件定时器之外，还可以使用软件定时器来实现更灵活的定时需求。

软件定时器示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>

struct Timer {
    int id;
    time_t expiration;
    void (*callback)(void);
};

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 调用对应的回调函数
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while (1) {
        // 管理软件定时器
    }
    return 0;
}

4.14 定时器与调度策略

在实时和多任务环境中，正确的调度策略可以确保定时器的准确触发。

调度策略示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <sched.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    // 设置调度策略
    struct sched_param param;
    param.sched_priority = sched_get_priority_max(SCHED_FIFO);
    if (sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param) == -1) {
        perror("Failed to set scheduler");
        return 1;
    }
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

4.15 定时器与错误处理

在处理定时器时，需要考虑各种可能的错误情况，并妥善处理。

错误处理示例
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <errno.h>

void timer_handler(int signum) {
    printf("Timer expired\n");
    // 进行清理工作
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    if (sigaction(SIGALRM, &sa, NULL) == -1) {
        perror("Failed to set signal handler");
        return 1;
    }
    
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 seconds
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 5; // repeat every 5 seconds
    timer.it_interval.tv_usec = 0;
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL) == -1) {
        perror("Failed to set timer");
        return 1;
    }
    
    while (1) {
        // 程序主循环
    }
    return 0;
}

5. 结论

本文介绍了使用C语言进行定时器编程的基础知识，并探讨了一些高级主题。定时器编程是一个复杂但非常有用的领域，掌握这些技能对于编写健壮和响应迅速的程序至关重要。通过上述例子，你已经了解了如何设置常见的定时器，并且能够处理一些复杂的场景，如多线程环境下的定时器同步。

标签：定时器,tv,编程,timer,C语言,handler,sa,include
From： https://blog.csdn.net/suifengme/article/details/141650338

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