定时器的实现依赖的是CPU时钟中断，时钟中断的精度就决定定时器精度的极限。一个时钟中断源如何实现多个定时器呢?对于内核，简单来说就是用特定的数据结构管理众多的定时器，在时钟中断处理中判断哪些定时器超时，然后执行超时处理动作。

而用户空间程序不直接感知CPU时钟中断，通过感知内核的信号、IO事件、调度，间接依赖时钟中断。用软件来实现动态定时器常用数据结构有：时间轮、最小堆和红黑树。下面就是一些知名的实现：

Linux内核的 Hierarchy 时间轮算法

Asio C++ Library最小堆定时器实现

nginx 使用红黑树结构管理定时器事件

Linux内核定时器相关的一些相关代码：

内核启动注册时钟中断

// 内核init阶段注册时钟中断处理函数

static struct irqaction irq0 = {

.handler = timer_interrupt,

.flags = IRQF_NOBALANCING | IRQF_IRQPOLL | IRQF_TIMER,

.name = "timer"

};

void __init setup_default_timer_irq(void)

{

if (!nr_legacy_irqs())

return;

setup_irq(0, &irq0);

}

// Default timer interrupt handler for PIT/HPET

static irqreturn_t timer_interrupt(int irq, void *dev_id)

{

// 调用体系架构无关的时钟处理流程

global_clock_event->event_handler(global_clock_event);

return IRQ_HANDLED;

}

内核时钟中断处理流程

// @file: kernel/time/timer.c - Linux 4.9.7

/*

* Called from the timer interrupt handler to charge one tick to the current

* process. user_tick is 1 if the tick is user time, 0 for system.

*/

void update_process_times(int user_tick)

{

struct task_struct *p = current;

/* Note: this timer irq context must be accounted for as well. */

account_process_tick(p, user_tick);

run_local_timers();

rcu_check_callbacks(user_tick);

#ifdef CONFIG_IRQ_WORK

if (in_irq())

irq_work_tick();

#endif

scheduler_tick();

run_posix_cpu_timers(p);

}

/*

* Called by the local, per-CPU timer interrupt on SMP.

*/

void run_local_timers(void)

{

struct timer_base *base = this_cpu_ptr(&timer_bases[BASE_STD]);

hrtimer_run_queues();

/* Raise the softirq only if required. */

if (time_before(jiffies, base->clk)) {

if (!IS_ENABLED(CONFIG_NO_HZ_COMMON) || !base->nohz_active)

return;

/* CPU is awake, so check the deferrable base. */

base++;

if (time_before(jiffies, base->clk))

return;

}

raise_softirq(TIMER_SOFTIRQ); // 标记一个软中断去处理所有到期的定时器

}

定时器的使用方法

在Linux 用户空间程序开发中，常用的定期器可以分为两类：

执行一次的单次定时器 single-short;循环执行的周期定时器 Repeating Timer;

其中，Repeating Timer 可以通过在Single-Shot Timer 终止之后，重新再注册到定时器系统里来实现。当一个进程需要使用大量定时器时，同样利用时间轮、最小堆或红黑树等结构来管理定时器。而时钟周期来源则需要借助系统调用，最终还是从时钟中断。Linux用户空间程序的定时器可用下面方法来实现：

通过alarm()或setitimer()系统调用，非阻塞异步，配合SIGALRM信号处理;通过select()或nanosleep()系统调用，阻塞调用，往往需要新建一个线程;通过timefd()调用，基于文件描述符，可以被用于 select/poll 的应用场景;通过RTC机制, 利用系统硬件提供的Real Time Clock机制, 计时非常精确;

上面方法没提sleep()，因为Linux中并没有系统调用sleep()，sleep()是在库函数中实现，是通过调用alarm()来设定报警时间，调用sigsuspend()将进程挂起在信号SIGALARM上，而且sleep()也只能精确到秒级上，精度不行。当使用阻塞调用作为定时周期来源时，可以单独启一个线程用来管理所有定时器，当定时器超时的时候，向业务线程发送定时器消息即可。

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