血淚教訓(xùn)：Linux 定時(shí)器踩坑指南，看完少走三年彎路

作者：xiaokang1998 2025-06-27 09:11:08

系統(tǒng) Linux

今天咱們就來徹底搞懂Linux定時(shí)器的前世今生，保證看完之后你也能成為定時(shí)器專家！

大家好，我是小康。

朋友們，今天要跟大家聊個(gè)讓無數(shù)程序員頭疼的話題——Linux定時(shí)器。別看這玩意兒平時(shí)不起眼，但真要用起來，坑多得你想哭??

一、寫在前面的話

你有沒有遇到過這樣的場景？

寫個(gè)網(wǎng)絡(luò)程序，需要定期發(fā)送心跳包
做個(gè)游戲服務(wù)器，要每秒更新玩家狀態(tài)
搞個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，定時(shí)檢查服務(wù)是否正常
甚至只是想讓程序延時(shí)幾秒再執(zhí)行某個(gè)操作

如果你點(diǎn)頭了，那恭喜你——定時(shí)器絕對是你繞不開的技能點(diǎn)！

我記得剛開始寫Linux程序的時(shí)候，遇到需要定時(shí)執(zhí)行任務(wù)的場景，第一反應(yīng)就是Google一下"Linux定時(shí)器怎么用"。結(jié)果搜出來一堆a(bǔ)larm()、setitimer()、timerfd_create()...看得我一頭霧水。

到底該用哪個(gè)？它們有什么區(qū)別？為什么有這么多種定時(shí)器？

相信很多小伙伴都有過同樣的困惑。今天咱們就來徹底搞懂Linux定時(shí)器的前世今生，保證看完之后你也能成為定時(shí)器專家！

二、第一代：古老而經(jīng)典的alarm()

1. 最簡單的開始

話說回來，Linux最早的定時(shí)器就是alarm()，簡單到爆：

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

void timeout_handler(int sig) {
    printf("時(shí)間到！該起床搬磚了！\n");
}

int main() {
    signal(SIGALRM, timeout_handler);
    alarm(5);  // 5秒后觸發(fā)
    pause();   // 等待信號
    return 0;
}

看起來挺簡單的對吧？但是兄弟，這里面的坑可不少：

只能精確到秒 - 你想要毫秒級定時(shí)？不好意思，做不到
全局只能有一個(gè) - 你在一個(gè)地方調(diào)用了alarm(10)，另一個(gè)地方又調(diào)用alarm(5)，前面那個(gè)就被覆蓋了
容易被系統(tǒng)調(diào)用中斷 - sleep()、read()這些函數(shù)被SIGALRM打斷后會(huì)提前返回

2. 真實(shí)踩坑經(jīng)歷

我當(dāng)年就因?yàn)椴恢繿larm()是全局唯一的，在一個(gè)多模塊的項(xiàng)目里用了好幾個(gè)alarm()，結(jié)果定時(shí)器莫名其妙地不按預(yù)期工作。調(diào)試了好久才發(fā)現(xiàn)是被互相覆蓋了。

三、第二代：更靈活的setitimer()

1. 進(jìn)步在哪里？

既然alarm()這么局限，Linux就推出了升級版——setitimer()：

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

void timer_handler(int sig) {
    staticint count = 0;
    printf("第%d次定時(shí)觸發(fā)！\n", ++count);
}

int main() {
    struct itimerval timer;
    
    signal(SIGALRM, timer_handler);
    
    // 設(shè)置定時(shí)器：1秒后開始，每0.5秒觸發(fā)一次
    timer.it_value.tv_sec = 1;     // 首次觸發(fā)時(shí)間
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 0;   // 重復(fù)間隔
    timer.it_interval.tv_usec = 500000; // 0.5秒 = 500000微秒
    
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
    
    while(1) {
        pause();  // 等待信號
    }
    
    return 0;
}

這就厲害多了！

支持微秒級精度
可以設(shè)置周期性觸發(fā)
有三種定時(shí)器類型（REAL、VIRTUAL、PROF）

2. 但是...新的問題來了

雖然setitimer()比alarm()強(qiáng)大，但還是有些讓人頭疼的地方：

還是基于信號 - 信號處理的那些坑一個(gè)都沒少
每個(gè)進(jìn)程還是只能有一個(gè)ITIMER_REAL - 多個(gè)定時(shí)器？也不支持
信號可能丟失 - 在信號處理函數(shù)執(zhí)行期間，新的信號可能被丟棄

四、第三代：專業(yè)級的POSIX定時(shí)器

1. 更加專業(yè)的選擇

在timerfd出現(xiàn)之前，還有一個(gè)重要的過渡產(chǎn)品——POSIX定時(shí)器（timer_create系列）。這玩意兒是POSIX標(biāo)準(zhǔn)定義的，比setitimer()更專業(yè)，但又沒有timerfd()那么現(xiàn)代化。

#include <time.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>

timer_t timerid;
int timer_count = 0;

void timer_handler(int sig, siginfo_t *si, void *uc) {
    timer_t *tidp = si->si_value.sival_ptr;
    printf("第%d次POSIX定時(shí)器觸發(fā)！timer_id: %p\n", ++timer_count, tidp);
}

int main() {
    struct sigevent sev;
    struct itimerspec its;
    struct sigaction sa;
    
    // 設(shè)置信號處理函數(shù)
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sa.sa_sigaction = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
    
    // 創(chuàng)建定時(shí)器
    sev.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    sev.sigev_signo = SIGUSR1;
    sev.sigev_value.sival_ptr = &timerid;
    
    if (timer_create(CLOCK_REALTIME, &sev, &timerid) == -1) {
        perror("timer_create failed");
        return-1;
    }
    
    // 設(shè)置定時(shí)器參數(shù)：1秒后開始，每500ms觸發(fā)一次
    its.it_value.tv_sec = 1;
    its.it_value.tv_nsec = 0;
    its.it_interval.tv_sec = 0;
    its.it_interval.tv_nsec = 500000000;  // 500ms
    
    timer_settime(timerid, 0, &its, NULL);
    
    printf("POSIX定時(shí)器啟動(dòng)，按Ctrl+C退出\n");
    
    while (1) {
        pause();
    }
    
    timer_delete(timerid);
    return 0;
}

看起來是不是比setitimer()復(fù)雜多了？但功能也更強(qiáng)大：

2. POSIX定時(shí)器的優(yōu)勢

支持多個(gè)定時(shí)器 - 終于可以創(chuàng)建多個(gè)了！每個(gè)都有獨(dú)立的timer_t標(biāo)識
納秒級精度 - 和timerfd一樣精確
靈活的通知方式 - 不僅可以發(fā)信號，還可以創(chuàng)建線程或者什么都不做
更好的信息傳遞 - 可以通過siginfo_t傳遞額外信息

3. 三種通知方式

POSIX定時(shí)器最酷的地方是支持三種通知方式：

(1) 信號通知（最常用）

sev.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
sev.sigev_signo = SIGUSR1;

(2) 線程通知（高級用法）

sev.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
sev.sigev_notify_function = thread_handler;
sev.sigev_notify_attributes = NULL;

(3) 無通知（輪詢模式）

sev.sigev_notify = SIGEV_NONE;
// 然后用timer_gettime()主動(dòng)查詢

4. 我的使用心得

POSIX定時(shí)器我在一個(gè)服務(wù)器監(jiān)控項(xiàng)目中用過，需要同時(shí)監(jiān)控多個(gè)不同的指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)的檢查頻率都不一樣。用setitimer()根本搞不定，但POSIX定時(shí)器就很合適：

timer_t cpu_timer, memory_timer, disk_timer, network_timer;

// CPU使用率：每秒檢查一次
create_posix_timer(&cpu_timer, SIGUSR1, 1000);

// 內(nèi)存使用率：每30秒檢查一次
create_posix_timer(&memory_timer, SIGUSR2, 300000);

// 磁盤IO：每分鐘檢查一次  
create_posix_timer(&disk_timer, SIGRTMIN, 600000);

// 網(wǎng)絡(luò)連接：每分鐘檢查一次
create_posix_timer(&network_timer, SIGRTMIN+1, 600000);

這樣每個(gè)監(jiān)控任務(wù)都有自己獨(dú)立的定時(shí)器，互不干擾，代碼邏輯也很清晰。

但是...POSIX定時(shí)器也有它的問題：

還是基于信號 - 信號處理的坑一個(gè)都沒少
代碼復(fù)雜 - 比alarm()和setitimer()復(fù)雜多了
移植性問題 - 有些老系統(tǒng)支持不夠好

所以雖然功能強(qiáng)大，但在現(xiàn)代Linux開發(fā)中，大家更傾向于直接用timerfd。

五、第四代：現(xiàn)代化的timerfd

1. 革命性的改變

到了Linux 2.6.25，終于迎來了真正的現(xiàn)代化定時(shí)器——timerfd！

這東西徹底改變了游戲規(guī)則：把定時(shí)器變成了文件描述符！

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

int main() {
    int timer_fd;
    struct itimerspec timer_spec;
    uint64_t expirations;
    
    // 創(chuàng)建定時(shí)器文件描述符
    timer_fd = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    if (timer_fd == -1) {
        perror("timerfd_create failed");
        return-1;
    }
    
    // 設(shè)置定時(shí)器：2秒后開始，每1秒觸發(fā)一次
    timer_spec.it_value.tv_sec = 2;
    timer_spec.it_value.tv_nsec = 0;
    timer_spec.it_interval.tv_sec = 1;
    timer_spec.it_interval.tv_nsec = 0;
    
    timerfd_settime(timer_fd, 0, &timer_spec, NULL);
    
    printf("定時(shí)器啟動(dòng)，等待觸發(fā)...\n");
    
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        // 就像讀文件一樣讀取定時(shí)器
        ssize_t bytes = read(timer_fd, &expirations, sizeof(expirations));
        if (bytes == sizeof(expirations)) {
            printf("定時(shí)器觸發(fā)了%llu次\n", expirations);
        }
    }
    
    close(timer_fd);
    return 0;
}

這簡直是質(zhì)的飛躍！

2. 為什么timerfd這么香？

文件描述符 - 可以用select()、poll()、epoll()監(jiān)聽，完美融入事件循環(huán)
納秒級精度 - 想要多精確有多精確
無限個(gè)定時(shí)器 - 想創(chuàng)建多少個(gè)就創(chuàng)建多少個(gè)
不依賴信號 - 再也不用擔(dān)心信號處理的各種坑
更好的并發(fā)支持 - 在事件驅(qū)動(dòng)的程序中表現(xiàn)出色

3. 配合epoll使用更香

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

int main() {
    int timerfd1, timerfd2, epollfd;
    struct itimerspec its;
    struct epoll_event ev, events[10];
    uint64_texp;
    
    // 創(chuàng)建兩個(gè)定時(shí)器
    timerfd1 = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    timerfd2 = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    
    // 創(chuàng)建epoll實(shí)例
    epollfd = epoll_create1(0);
    
    // 將定時(shí)器加入epoll監(jiān)聽
    ev.events = EPOLLIN;
    ev.data.fd = timerfd1;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, timerfd1, &ev);
    
    ev.data.fd = timerfd2;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, timerfd2, &ev);
    
    // 設(shè)置定時(shí)器1：每1秒觸發(fā)
    its.it_value.tv_sec = 1;
    its.it_value.tv_nsec = 0;
    its.it_interval.tv_sec = 1;
    its.it_interval.tv_nsec = 0;
    timerfd_settime(timerfd1, 0, &its, NULL);
    
    // 設(shè)置定時(shí)器2：每2秒觸發(fā)
    its.it_value.tv_sec = 2;
    its.it_interval.tv_sec = 2;
    timerfd_settime(timerfd2, 0, &its, NULL);
    
    printf("高性能定時(shí)器系統(tǒng)啟動(dòng)！\n");
    
    while (1) {
        int nfds = epoll_wait(epollfd, events, 10, -1);
        
        for (int n = 0; n < nfds; n++) {
            int fd = events[n].data.fd;
            read(fd, &exp, sizeof(uint64_t));
            
            if (fd == timerfd1) {
                printf("? 快速定時(shí)器觸發(fā) (1秒間隔)\n");
            } elseif (fd == timerfd2) {
                printf("?? 慢速定時(shí)器觸發(fā) (2秒間隔)\n");
            }
        }
    }
    
    return 0;
}

這就是現(xiàn)代Linux程序的標(biāo)準(zhǔn)寫法！事件驅(qū)動(dòng)，高性能，代碼還清晰易懂。

六、實(shí)際項(xiàng)目中該選哪個(gè)？

1. 快速?zèng)Q策指南

如果你只是想要個(gè)簡單的定時(shí)：

alarm(5);  // 夠用了，別想太多

如果需要周期性定時(shí)，而且精度要求不高：

setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);  // 經(jīng)典選擇

如果需要多個(gè)定時(shí)器，但不想用太新的API：

timer_create() + timer_settime();  // POSIX標(biāo)準(zhǔn)，兼容性好

如果是現(xiàn)代項(xiàng)目，特別是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：

timerfd_create() + epoll();  // 這就對了！

2. 性能對比

我之前做過一個(gè)簡單的功能測試，看看各種定時(shí)器的支持能力：

alarm(): 全局只能有1個(gè)，新的會(huì)覆蓋舊的
setitimer(): 每種類型只能1個(gè)（REAL、VIRTUAL、PROF），最多3個(gè)
POSIX定時(shí)器: 支持多個(gè)，具體數(shù)量受系統(tǒng)限制（通常幾百個(gè)），但信號處理開銷較大
timerfd(): 支持多個(gè)，數(shù)量主要受文件描述符限制

實(shí)際項(xiàng)目中的選擇建議：

如果只需要1-2個(gè)定時(shí)器：setitimer()夠用
如果需要多個(gè)定時(shí)器：POSIX定時(shí)器和timerfd都可以，但timerfd在事件驅(qū)動(dòng)程序中更高效
如果是高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序：timerfd() + epoll()性能最好，因?yàn)榭梢院推渌鸌/O事件統(tǒng)一處理

3. 兼容性考慮

alarm()/setitimer(): 幾乎所有Unix系統(tǒng)都支持
POSIX定時(shí)器: 理論上是POSIX標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際支持情況復(fù)雜：Linux 2.6+原生支持(但可能需要鏈接 -lrt)，macOS/BSD支持有限，Windows需要通過Cygwin等兼容層
timerfd(): Linux 2.6.25+專有，其他系統(tǒng)不支持

實(shí)際上，跨平臺(tái)的定時(shí)器API是一個(gè)普遍難題，每個(gè)操作系統(tǒng)都有自己的實(shí)現(xiàn)方式。如果你的項(xiàng)目需要真正的跨平臺(tái)，可能需要：

使用第三方庫（如libuv、libevent）
或者針對不同平臺(tái)編寫不同的實(shí)現(xiàn)

七、進(jìn)階技巧分享

1. 高精度定時(shí)器

想要更高的精度？試試CLOCK_MONOTONIC：

timer_fd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);

CLOCK_MONOTONIC不受系統(tǒng)時(shí)間調(diào)整影響，更適合做精確的間隔定時(shí)。

2. 一次性定時(shí)器

有時(shí)候你只想要一個(gè)一次性的延時(shí)：

timer_spec.it_value.tv_sec = 5;        // 5秒后觸發(fā)
timer_spec.it_value.tv_nsec = 0;
timer_spec.it_interval.tv_sec = 0;     // 不重復(fù)
timer_spec.it_interval.tv_nsec = 0;

3. 定時(shí)器管理器

在復(fù)雜項(xiàng)目中，你可能需要管理很多定時(shí)器。我一般會(huì)封裝一個(gè)定時(shí)器管理器：

typedef struct {
    int fd;
    void (*callback)(void *data);
    void *data;
} Timer;

// 創(chuàng)建定時(shí)器
Timer* create_timer(int interval_ms, void (*callback)(void*), void *data);
// 刪除定時(shí)器
void destroy_timer(Timer *timer);
// 在主事件循環(huán)中處理定時(shí)器事件
void handle_timer_event(Timer *timer);

這樣管理起來就清爽多了。