作者：CppExplore 網(wǎng)址：http://m.shnenglu.com/CppExplore/
一、 基礎(chǔ)知識
1、時間類型。Linux下常用的時間類型有4個：time_t，struct timeval，struct timespec，struct tm。
（1）time_t是一個長整型，一般用來表示用1970年以來的秒數(shù)。
（2）Struct timeval有兩個成員，一個是秒，一個是微妙。
struct timeval 
{
long tv_sec; /**//* seconds */
long tv_usec; /**//* microseconds */
};（3）struct timespec有兩個成員，一個是秒，一個是納秒。
struct timespec{
time_t tv_sec; /**//* seconds */
long tv_nsec; /**//* nanoseconds */
};
（4）struct tm是直觀意義上的時間表示方法：
struct tm {
int tm_sec; /**//* seconds */
int tm_min; /**//* minutes */
int tm_hour; /**//* hours */
int tm_mday; /**//* day of the month */
int tm_mon; /**//* month */
int tm_year; /**//* year */
int tm_wday; /**//* day of the week */
int tm_yday; /**//* day in the year */
int tm_isdst; /**//* daylight saving time */
};
2、 時間操作
（1） 時間格式間的轉(zhuǎn)換函數(shù)
主要是 time_t、struct tm、時間的字符串格式之間的轉(zhuǎn)換。看下面的函數(shù)參數(shù)類型以及返回值類型：
char *asctime(const struct tm *tm);
char *ctime(const time_t *timep);
struct tm *gmtime(const time_t *timep);
struct tm *localtime(const time_t *timep);
time_t mktime(struct tm *tm);gmtime和localtime的參數(shù)以及返回值類型相同，區(qū)別是前者返回的格林威治標準時間，后者是當?shù)貢r間。
（2） 獲取時間函數(shù)
兩個函數(shù)，獲取的時間類型看原型就知道了：
time_t time(time_t *t);
int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
前者獲取time_t類型，后者獲取struct timeval類型，因為類型的緣故，前者只能精確到秒，后者可以精確到微秒。
二、 延遲函數(shù)
主要的延遲函數(shù)有：sleep(),usleep(),nanosleep(),select(),pselect().
unsigned int sleep(unsigned int seconds);
void usleep(unsigned long usec);
int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);
int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);
int pselect(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout, const sigset_t *sigmask);
alarm函數(shù)是信號方式的延遲，這種方式不直觀，這里不說了。
僅通過函數(shù)原型中時間參數(shù)類型，可以猜測sleep可以精確到秒級，usleep/select可以精確到微妙級，nanosleep和pselect可以精確到納秒級。
而實際實現(xiàn)中，linux上的nanosleep和alarm相同，都是基于內(nèi)核時鐘機制實現(xiàn)，受linux內(nèi)核時鐘實現(xiàn)的影響，并不能達到納秒級的精度，man nanosleep也可以看到這個說明，man里給出的精度是：Linux/i386上是10 ms ，Linux/Alpha上是1ms。
這里有一篇文章http://blog.csdn.net/zhoujunyi/archive/2007/03/30/1546330.aspx，測試了不同延遲函數(shù)之間的精確度。文章給出的結(jié)論是linux上精度最高的是select，10ms級別。我在本機器測試select和pselect相當，都達到了1ms級的精度，精度高于文章中給出的10ms，sleep在秒級以上和usleep/nanosleep相當。下面貼下我機器上1ms時候的測試結(jié)果，其他不貼了：
sleep 1000 0 -1000
usleep 1000 2974 1974
nanosleep 1000 2990 1990
select 1000 991 -9
pselect 1000 990 -10
gettimeofday 1000 1000 0
而使用gettimeofday循環(huán)不停檢測時間，可精確微秒級，不過不適宜用來做定時器模塊。
因此后面的定時期模塊將選擇select為延遲函數(shù)。
三、 定時器模塊需求以及實現(xiàn)概述
1、需求。從實現(xiàn)結(jié)果的角度說來，需求就是最終的使用方式。呵呵，不詳細描述需求了，先直接給出我實現(xiàn)的CTimer類的三個主要接口：
Class CTimer{
Public:
CTimer(unsigned int vinterval,void (*vfunc)(CTimer *,void *),void *vdata,TimerType vtype);
void start();
void stop();
void reset(unsigned int vinterval);
};
使用定時器模塊的步驟如下：
（1） 實例化一個CTimer，參數(shù)的含義依次是：vinterval間隔時間（單位ms），vfunc是時間到回調(diào)的函數(shù)，vdata回調(diào)函數(shù)使用的參數(shù)，vtype定時器的類型，分一次型和循環(huán)型兩種。
（2） 調(diào)用start方法。
（3） 必要的時候調(diào)用stop和reset。
2、實現(xiàn)。簡單描述下定時器模塊的實現(xiàn)，有一個manager單例類保存所有CTimer對象，開啟一線程運行延遲函數(shù)，每次延遲間隔到，掃描保存CTimer的容器，對每個CTimer對象執(zhí)行減少時間操作，減少到0則執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。對一次性CTimer，超時則從容器中刪除，循環(huán)型的將間隔時間重置，不從容器中移除。
CTimer的start執(zhí)行將對象插入到manager容器中操作；stop執(zhí)行將對象從manager容器中刪除的操作；reset執(zhí)行先刪除，重置間隔，然后再放到容器中，reset不改變CTimer的定時器類型屬性。
四、 定時器模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選擇
Manager類的容器要頻繁進行的操作涉及插入、刪除、查詢等。
誤區(qū)：（1）簡單看，好象該容器要是有序的，方便插入刪除等，貌似紅黑樹比較合適。其實不然，插入刪除操作的頻率很低，最頻繁的還是每次時延到，對容器的掃描并做時間減少操作，紅黑樹在做順序掃描相對鏈表并沒什么優(yōu)勢。
（2） 插入的時候依照順序鏈表的方式插入到合適的位置保持排序，以保證超時的對象都在鏈表的頭端。其實這也是沒必要的，每次時延到，對每一個對象都要做時間減少操作，因此不管是有序還是無序，都是一次掃描就執(zhí)行完下面操作：減少時間、判斷是否超時，是則執(zhí)行回調(diào)，繼續(xù)判斷是什么類型，一次型的則執(zhí)行完就移除，循環(huán)型則執(zhí)行完直接重置間隔就可。
因此，只需要能快速插入頭、刪除結(jié)點、遍歷就好。我的實現(xiàn)直接使用BSD內(nèi)核中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LIST，插入頭、刪除時間復雜度都是1，遍歷就不說了。linux下/usr/include/sys下有頭文件queue.h里也有LIST結(jié)構(gòu)以及操作的定義。貌似linux下的少了遍歷宏：
#define LIST_FOREACH(var, head, field) \
for((var) = LIST_FIRST(head); \
(var)!= LIST_END(head); \
(var) = LIST_NEXT(var, field))
五、 詳細實現(xiàn)
這里帖出主要的代碼，請重點關(guān)注CTimerManager:: process方法，不再詳細說了。需要詳細的全部代碼，可來信索取，整體代碼很簡單，就兩個類。
class CTimer
{
friend class CTimerManager;
public:
typedef enum
{
TIMER_IDLE=0, //start前以及手動調(diào)用stop后的狀態(tài)
TIMER_ALIVE, //在manager的list里時候的狀態(tài)
TIMER_TIMEOUT //超時后被移除的狀態(tài)，循環(huán)型的沒有
}TimerState;
typedef enum
{
TIMER_ONCE=0, //一次型
TIMER_CIRCLE //循環(huán)型
}TimerType;
CTimer(unsigned int vinterval,void (*vfunc)(CTimer *,void *),void *vdata,TimerType vtype);
void start();
void stop();
void reset(unsigned int vinterval);
~CTimer();
private:
unsigned int id_; //測試用
unsigned int m_interval; //間隔，不變
unsigned int m_counter; //開始設(shè)置為interval，隨延遲時間到，減少
TimerState m_state; //狀態(tài)
TimerType m_type; //類型
void (*m_func)(CTimer *,void *);//回調(diào)函數(shù)
void * m_data; //回調(diào)函數(shù)參數(shù)
LIST_ENTRY(CTimer) entry_; //LIST的使用方式
};
/**//*構(gòu)造函數(shù)*/
CTimer::CTimer(unsigned int vinterval,void (*vfunc)(CTimer *,void *),void *vdata,TimerType vtype):
m_interval(vinterval),m_counter(vinterval),
m_state(TIMER_IDLE),m_type(vtype),
m_func(vfunc),m_data(vdata)
{}
/**//*開始定時器*/
void CTimer::start()
{
CTimerManager::instance()->add_timer(this);
}
/**//*停止定時器*/
void CTimer::stop()
{
CTimerManager::instance()->remove_timer(this);
}
/**//*reset定時器*/
void CTimer::reset(unsigned int vinterval)
{
CTimerManager::instance()->remove_timer(this);
m_counter=m_interval=vinterval;
CTimerManager::instance()->add_timer(this);
}
/**//*析構(gòu)函數(shù)，stop操作不能省略，避免delete前忘記stop*/
CTimer::~CTimer()
{
if(m_state==TIMER_ALIVE)
stop();
}
CTimerManager的：
class CTimerManager
{
public:
typedef enum
{
TIMER_MANAGER_STOP=0,
TIMER_MANAGER_START
}TimerManagerState;
static CTimerManager * instance();
void add_timer(CTimer * vtimer);//線程安全的add
void remove_timer(CTimer * vtimer);//線程安全的remove
void start(); //開始process線程
void stop(); //停止process線程
void dump();
protected:
static void * process(void *); //實際的定時器時間延遲線程
private:
void add_timer_(CTimer * vtimer);//非線程安全的add
void remove_timer_(CTimer * vtimer);//非線程安全的remove
CTimerManager();
static pthread_mutex_t m_mutex;
static CTimerManager * m_instance;
TimerManagerState m_state;
LIST_HEAD(,CTimer) list_; //LIST使用方式
static unsigned int mark; //測試，配合dump
};
/**//*singlton的double-check實現(xiàn)*/
CTimerManager * CTimerManager::instance()
{
if(m_instance==NULL)
{
pthread_mutex_lock(&m_mutex);
if(m_instance==NULL)
{
m_instance=new CTimerManager();
}
pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
}
return m_instance;
}
/**//*process必須static，不能操作非static屬性，因此傳遞this指針*/
void CTimerManager:: start()
{
if(m_state==TIMER_MANAGER_STOP){
m_state=TIMER_MANAGER_START;
pthread_t pid;
pthread_create(&pid,0,process,this);
}
}
/**//*定時器模塊延遲時間線程*/
void * CTimerManager:: process(void * arg)
{
pthread_detach(pthread_self());
CTimerManager *manage=(CTimerManager *)arg;
CTimer *item;
struct timeval start,end;
unsigned int delay;
struct timeval tm;
gettimeofday(&end,0);
/**//*使用狀態(tài)控制線程運行，進而容易實現(xiàn)stop，也可以使用pthread_cancel粗暴的停止，需要考慮暫停點等問題*/
while(manage->m_state==TIMER_MANAGER_START)
{
tm.tv_sec=0;
tm.tv_usec=DEFULT_INTERVAL*1000;
start.tv_sec=end.tv_sec;
start.tv_usec=end.tv_usec;
/**//*不同系統(tǒng)的延遲函數(shù)精度不同，如果需要替換為其他延遲函數(shù)，這附近修改下就好*/
while(select(0,0,0,0,&tm)<0&&errno==EINTR);
gettimeofday(&end,0);
delay=(end.tv_sec-start.tv_sec)*1000+(end.tv_usec-start.tv_usec)/1000;
pthread_mutex_lock(&manage->m_mutex);
LIST_FOREACH(item, &(manage->list_), entry_)
{
item->m_counter<delay?item->m_counter=0:item->m_counter-=delay;
if(item->m_counter==0)
{
if(item->m_func)
item->m_func(item,item->m_data);
if(item->m_type==CTimer::TIMER_ONCE)
{
/**//*一次型的，超時，移除，并狀態(tài)CTimer::TIMER_TIMEOUT*/
manage->remove_timer_(item);
item->m_state=CTimer::TIMER_TIMEOUT;
}
else if(item->m_type==CTimer::TIMER_CIRCLE)
{
/**//*循環(huán)型的，重置counter就好*/
item->m_counter=item->m_interval;
}
}
}
pthread_mutex_unlock(&manage->m_mutex);
}
}
六、 討論
（1）精度問題。精度高，實時性高，但要求select等待的時間縮短，進而增加對LIST結(jié)構(gòu)的掃描操作。精度低，實時性差，但會增加定時器線程的睡眠時間，減少對cpu的占用。一般的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)該盡量降低精度，避免不必要的掃描，對具體系統(tǒng)可考察所用到的所有定時器的實際間隔，在允許的情況下，盡量降低精度，可通過修改代碼中的宏實現(xiàn)。為了降低定時器線程對cpu的占有時間，甚有更為粗獷型的定時器模塊實現(xiàn)為將延遲時間取list中最小的那個間隔，保證每次延遲時間到都有回調(diào)。
（2）加鎖區(qū)域問題。本文中的定時器模塊實現(xiàn)，將定時器對象的時間減少以及函數(shù)回調(diào)的執(zhí)行等再同一個臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行，而有的定時器模塊實現(xiàn)是在加鎖區(qū)域執(zhí)行“時間減少”操作，將減少到0的對象放到另一個超時鏈表中，解鎖后再單獨掃描超時鏈表執(zhí)行回調(diào)操作。很明顯，后者縮短了加鎖時間，能及時響應(yīng)其他的線程的定時器對象的start以及stop操作。但是后者對定時器操作的時序性有誤差，直觀反應(yīng)就是可能在定時器執(zhí)行了stop操作以后，仍然會有超時回調(diào)發(fā)生，特別是回調(diào)參數(shù)是指針的情況，可能引起難以發(fā)現(xiàn)的bug，增加調(diào)試困難。在衡量兩者的利弊后，本文采用延長加鎖時間以保證操作的時序性。因此，在實際的使用，回調(diào)函數(shù)應(yīng)盡快返回，另一方面，盡量減少系統(tǒng)內(nèi)使用的定時器數(shù)目，這個主要原因是延遲時間到要掃描LIST，哪種方式都避免不了。
七、使用示例
#include "timer_manager.h"
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
void func(CTimer * timer, void *data)
{
printf("hi,%d\n",(int)(data));
}
/**//*隨便寫的，湊合著看吧。沒有CTimerManager::instance()->stop();也沒new對象。定時器對象可多次start和stop，使用上對暴露的接口沒有任何的契約式限制，可隨意調(diào)用*/
int main()
{
CTimerManager::instance()->start();
CTimer a(1000,func,(void *)1,CTimer::TIMER_CIRCLE);
CTimer a1(2000,func,(void *)11,CTimer::TIMER_ONCE);
CTimer a2(3000,func,(void *)12,CTimer::TIMER_ONCE);
CTimer a3(1000,func,(void *)13,CTimer::TIMER_ONCE);
a.start();
a1.start();
a2.start();
a3.start();
a.start();
a1.start();
a2.start();
a3.start();
sleep(1);
CTimerManager::instance()->dump();
sleep(1);
CTimerManager::instance()->dump();
a.reset(2000);
a1.stop();
a3.stop();
sleep(10);
return 0;
}
八、后記
昨晚寫好文章，不知為何無故丟失大半，郁悶。今早醒來，感覺還是有點地方要修改，：在start定時器線程的時候，傳入精度和誤差補償，一是根據(jù)實際需要調(diào)整精確度，二是彌補延遲函數(shù)的稍許誤差，以具有更好的伸縮性和精確度。本文旨在說明定時器模塊的內(nèi)部實現(xiàn)機制，詳細細節(jié)不再修改了。