血淚教訓：Linux 定時器踩坑指南，看完少走三年彎路

作者：xiaokang1998 2025-06-27 09:11:08

系統 Linux

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

大家好，我是小康。

朋友們，今天要跟大家聊個讓無數程序員頭疼的話題——Linux定時器。別看這玩意兒平時不起眼，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？

寫個網絡程序，需要定期發送心跳包
做個游戲服務器，要每秒更新玩家狀態
搞個監控系統，定時檢查服務是否正常
甚至只是想讓程序延時幾秒再執行某個操作

如果你點頭了，那恭喜你——定時器絕對是你繞不開的技能點！

我記得剛開始寫Linux程序的時候，遇到需要定時執行任務的場景，第一反應就是Google一下"Linux定時器怎么用"。結果搜出來一堆alarm()、setitimer()、timerfd_create()...看得我一頭霧水。

到底該用哪個？它們有什么區別？為什么有這么多種定時器？

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定時器的前世今生，保證看完之后你也能成為定時器專家！

二、第一代：古老而經典的alarm()

1. 最簡單的開始

話說回來，Linux最早的定時器就是alarm()，簡單到爆：

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

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

int main() {
    signal(SIGALRM, timeout_handler);
    alarm(5);  // 5秒后觸發
    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？不好意思，做不到
全局只能有一個 - 你在一個地方調用了alarm(10)，另一個地方又調用alarm(5)，前面那個就被覆蓋了
容易被系統調用中斷 - sleep()、read()這些函數被SIGALRM打斷后會提前返回

2. 真實踩坑經歷

我當年就因為不知道alarm()是全局唯一的，在一個多模塊的項目里用了好幾個alarm()，結果定時器莫名其妙地不按預期工作。調試了好久才發現是被互相覆蓋了。

三、第二代：更靈活的setitimer()

1. 進步在哪里？

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次定時觸發！\n", ++count);
}

int main() {
    struct itimerval timer;
    
    signal(SIGALRM, timer_handler);
    
    // 設置定時器：1秒后開始，每0.5秒觸發一次
    timer.it_value.tv_sec = 1;     // 首次觸發時間
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 0;   // 重復間隔
    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
可以設置周期性觸發
有三種定時器類型（REAL、VIRTUAL、PROF）

2. 但是...新的問題來了

雖然setitimer()比alarm()強大，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都沒少
每個進程還是只能有一個ITIMER_REAL - 多個定時器？也不支持
信號可能丟失 - 在信號處理函數執行期間，新的信號可能被丟棄

四、第三代：專業級的POSIX定時器

1. 更加專業的選擇

在timerfd出現之前，還有一個重要的過渡產品——POSIX定時器（timer_create系列）。這玩意兒是POSIX標準定義的，比setitimer()更專業，但又沒有timerfd()那么現代化。

#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定時器觸發！timer_id: %p\n", ++timer_count, tidp);
}

int main() {
    struct sigevent sev;
    struct itimerspec its;
    struct sigaction sa;
    
    // 設置信號處理函數
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sa.sa_sigaction = timer_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
    
    // 創建定時器
    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;
    }
    
    // 設置定時器參數：1秒后開始，每500ms觸發一次
    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定時器啟動，按Ctrl+C退出\n");
    
    while (1) {
        pause();
    }
    
    timer_delete(timerid);
    return 0;
}

看起來是不是比setitimer()復雜多了？但功能也更強大：

2. POSIX定時器的優勢

支持多個定時器 - 終于可以創建多個了！每個都有獨立的timer_t標識
納秒級精度 - 和timerfd一樣精確
靈活的通知方式 - 不僅可以發信號，還可以創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()主動查詢

4. 我的使用心得

POSIX定時器我在一個服務器監控項目中用過，需要同時監控多個不同的指標，每個指標的檢查頻率都不一樣。用setitimer()根本搞不定，但POSIX定時器就很合適：

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);

// 網絡連接：每分鐘檢查一次
create_posix_timer(&network_timer, SIGRTMIN+1, 600000);

這樣每個監控任務都有自己獨立的定時器，互不干擾，代碼邏輯也很清晰。

但是...POSIX定時器也有它的問題：

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

所以雖然功能強大，但在現代Linux開發中，大家更傾向于直接用timerfd。

五、第四代：現代化的timerfd

1. 革命性的改變

到了Linux 2.6.25，終于迎來了真正的現代化定時器——timerfd！

這東西徹底改變了游戲規則：把定時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;
    
    // 創建定時器文件描述符
    timer_fd = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    if (timer_fd == -1) {
        perror("timerfd_create failed");
        return-1;
    }
    
    // 設置定時器：2秒后開始，每1秒觸發一次
    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("定時器啟動，等待觸發...\n");
    
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        // 就像讀文件一樣讀取定時器
        ssize_t bytes = read(timer_fd, &expirations, sizeof(expirations));
        if (bytes == sizeof(expirations)) {
            printf("定時器觸發了%llu次\n", expirations);
        }
    }
    
    close(timer_fd);
    return 0;
}

這簡直是質的飛躍！

2. 為什么timerfd這么香？

文件描述符 - 可以用select()、poll()、epoll()監聽，完美融入事件循環
納秒級精度 - 想要多精確有多精確
無限個定時器 - 想創建多少個就創建多少個
不依賴信號 - 再也不用擔心信號處理的各種坑
更好的并發支持 - 在事件驅動的程序中表現出色

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;
    
    // 創建兩個定時器
    timerfd1 = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    timerfd2 = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
    
    // 創建epoll實例
    epollfd = epoll_create1(0);
    
    // 將定時器加入epoll監聽
    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);
    
    // 設置定時器1：每1秒觸發
    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);
    
    // 設置定時器2：每2秒觸發
    its.it_value.tv_sec = 2;
    its.it_interval.tv_sec = 2;
    timerfd_settime(timerfd2, 0, &its, NULL);
    
    printf("高性能定時器系統啟動！\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("? 快速定時器觸發 (1秒間隔)\n");
            } elseif (fd == timerfd2) {
                printf("?? 慢速定時器觸發 (2秒間隔)\n");
            }
        }
    }
    
    return 0;
}

這就是現代Linux程序的標準寫法！事件驅動，高性能，代碼還清晰易懂。

六、實際項目中該選哪個？

1. 快速決策指南

如果你只是想要個簡單的定時：

alarm(5);  // 夠用了，別想太多

如果需要周期性定時，而且精度要求不高：

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

如果需要多個定時器，但不想用太新的API：

timer_create() + timer_settime();  // POSIX標準，兼容性好

如果是現代項目，特別是網絡服務器：

timerfd_create() + epoll();  // 這就對了！

2. 性能對比

我之前做過一個簡單的功能測試，看看各種定時器的支持能力：

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

實際項目中的選擇建議：

如果只需要1-2個定時器：setitimer()夠用
如果需要多個定時器：POSIX定時器和timerfd都可以，但timerfd在事件驅動程序中更高效
如果是高并發網絡程序：timerfd() + epoll()性能最好，因為可以和其他I/O事件統一處理

3. 兼容性考慮

alarm()/setitimer(): 幾乎所有Unix系統都支持
POSIX定時器: 理論上是POSIX標準，但實際支持情況復雜：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，其他系統不支持

實際上，跨平臺的定時器API是一個普遍難題，每個操作系統都有自己的實現方式。如果你的項目需要真正的跨平臺，可能需要：

使用第三方庫（如libuv、libevent）
或者針對不同平臺編寫不同的實現

七、進階技巧分享

1. 高精度定時器

想要更高的精度？試試CLOCK_MONOTONIC：

timer_fd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);

CLOCK_MONOTONIC不受系統時間調整影響，更適合做精確的間隔定時。

2. 一次性定時器

有時候你只想要一個一次性的延時：

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

3. 定時器管理器

在復雜項目中，你可能需要管理很多定時器。我一般會封裝一個定時器管理器：

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

// 創建定時器
Timer* create_timer(int interval_ms, void (*callback)(void*), void *data);
// 刪除定時器
void destroy_timer(Timer *timer);
// 在主事件循環中處理定時器事件
void handle_timer_event(Timer *timer);

這樣管理起來就清爽多了。

八、總結：定時器進化的啟示

從alarm()到timerfd()，Linux定時器的進化史其實反映了整個系統編程的發展趨勢：

從簡單到復雜 - 功能越來越強大
從單一到多元 - 支持更多使用場景
從同步到異步 - 更好地融入事件驅動架構
從信號到文件描述符 - 統一的編程模型

如果你是新手，建議從alarm()開始理解基本概念，了解一下POSIX定時器的功能特性，然后直接跳到timerfd()學習現代用法。

如果你是老手，是時候把那些老舊的alarm()和setitimer()代碼重構了。如果項目只在Linux上運行，直接用timerfd()；如果需要跨平臺，考慮使用成熟的第三方庫。

選擇建議總結：

學習路徑: alarm() → POSIX定時器概念 → timerfd()實踐
跨平臺項目: 使用libuv、libevent等成熟庫，別自己造輪子
Linux專項目: 直接用timerfd() + epoll()
簡單腳本: alarm()夠用，別過度設計

責任編輯：趙寧寧來源：跟著小康學編程

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