Linux系统提供了timerfd系列的定时函数，其具体函数名如下，

#include <sys/timerfd.h>

int timerfd_create(int clockid, int flags);

int timerfd_settime(int fd, int flags,
                    const struct itimerspec *new_value,
                    struct itimerspec *old_value);

int timerfd_gettime(int fd, struct itimerspec *curr_value);

timerfd函数可以通过文件描述符来通知定时事件，这就使得定时器也符合Linux下一切皆文件的哲学思想，并且可以很方便的使用select, poll和epoll去监测定时器事件。

下面就介绍这三个系统函数的基本用法。

---

timerfd_create()

原型如下，

int timerfd_create(int clockid, int flags);

该函数创建一个新的定时器对象，并返回一个文件描述符，指向这个新生成的定时器。其第一个参数clockid用来选择定时器的时钟，有以下选择，

• CLOCK_REALTIME：系统实时时钟，用户可以修改，可以简单理解为win10电脑右下角的时间
• CLOCK_MONOTONIC：一个不可变的单调递增时钟，当系统挂起时，时钟不会包含挂起的这段时间值，相当于系统挂起时就停止计时，系统恢复运行后继续计时。可以简单理解为一个CPU寄存器，当系统启动后就开始递增计时，系统关闭后就清0，用户只能读无法写。
• CLOCK_BOOTTIME (since Linux 3.15)：与CLOCK_MONOTONIC类似，只是当系统挂起时，该时钟会把系统挂起的这段时间算进来，相当于系统挂起时该时钟仍然会继续计时
• CLOCK_REALTIME_ALARM (since Linux 3.11)：与CLOCK_REALTIME类似，但是当系统挂起时，这个时钟会把系统唤醒，调用者需要具有CAP_WAKE_ALARM的能力
• CLOCK_BOOTTIME_ALARM (since Linux 3.11)：与CLOCK_BOOTTIME 类似，但是当系统挂起时，这个时钟会把系统唤醒，调用者需要具有CAP_WAKE_ALARM的能力

以上是翻译man手册，其实看完还是有点懵。简单的说，CLOCK_REALTIME对应的时钟记录的是相对时间，即从1970年1月1日0点0分到目前的时间；CLOCK_MONOTONIC对应的时钟记录的是系统启动后到现在的时间。

对于CLOCK_REALTIME来说，更改系统时间会影响算出来的时间值；对于CLOCK_MONOTONIC来说更改系统时间不会影响算出来的时间值。因为用户可以随意修改系统时间，但是对于CLOCK_MONOTONIC来说，它的计时是由CPU上的一个计时器提供，不受系统时间影响。

可以根据实际需要来选择时钟，一般来说，选择CLOCK_REALTIME或CLOCK_MONOTONIC就可以了。

第二个参数flags，从Linux 2.6.27开始，可以是以下2个标志之一，也可以使用or操作符"|"来把2个标志都置起来，也可以直接给个0，具体根据实际来，

• TFD_NONBLOCK ：对定时器的文件描述符设置O_NONBLOCK的文件状态标志，形成非阻塞调用
• TFD_CLOEXEC ：对定时器的文件描述符设置close-on-exec (FD_CLOEXEC)标志，这个标志的意思就是如果创建定时器的进程在创建了定时器后又fork了一个新进程，那么新进程在生成过程中就把原本共享的定时器文件描述符给关掉，免得互相影响

---

timerfd_settime()

原型如下，

int timerfd_settime(int fd, int flags,
                    const struct itimerspec *new_value,
                    struct itimerspec *old_value);

该函数可以启动或停止一个定时器，这个定时器由第一个参数fd表示，这个fd就是timerfd_create()创建定时器时返回的文件描述符。

参数new_value用于指定定时器的第一次到期时间和后续的定时周期，其类型为struct itimerspec，定义如下，

struct itimerspec {
    struct timespec it_interval;  /* Interval for periodic timer */
    struct timespec it_value;     /* Initial expiration */
};

struct timespec {
    time_t tv_sec;                /* Seconds */
    long   tv_nsec;               /* Nanoseconds */
};

可以看出定时器可以精确到纳秒。

new_value参数解析：

• new_value里的it_value表示启动定时器后，定时器第一次定时到期的时间，如果it_value的tv_sec或tv_nsec值非0，那么定时器在调用timerfd_settime()之后就会启动，如果it_value的tv_sec和tv_nsec值都是0，那么定时器在调用timerfd_settime()之后就会停止。
• new_value里的it_interval用来设置后续的定时周期，如果it_interval的tv_sec或tv_nsec值非0，那么该定时器就具有周期性，如果tv_sec和tv_nsec值都是0，那么这个定时器就是one shot的，只定时一次。

第二个参数flags可以是0，意思是使用相对定时器，也可以有以下2个选项（使用其中之一或两个都要，如果2个都要就使用or操作符"|"来把2个标志都置起来），

• TFD_TIMER_ABSTIME：使用绝对定时器，new_value里的it_value是相对于选择的时钟的绝对时间（假如调用timerfd_settime()时clock的时间是8:00，此时flag为0，使用相对定时器，传递的new_value.it_value是10分钟，那么定时器就会在8:10触发；如果flag使用了TFD_TIMER_ABSTIME标志，使用绝对定时器，那么new_value.it_value就需要传递8:10，使用绝对时间）
• TFD_TIMER_CANCEL_ON_SET：只有在timerfd_create()里选择的时钟是CLOCK_REALTIME或CLOCK_REALTIME_ALARM才有意义，并且必须与标志TFD_TIMER_ABSTIME一起使用。当时钟经常发生不连续的变化时，这个定时器是可以取消的。前面也提到过，CLOCK_REALTIME对应的时钟是可变的。

对于old_value这个参数，一般来说传个NULL就行了，如果不是NULL，那么就会返回定时器的先前配置信息，可以这样理解：假如在调用timerfd_settime()之前，已经调用过timerfd_settime()来配置定时器了，那么本次调用timerfd_settime()就会在old_value里返回之前的定时器配置；或者刚刚创建定时器，那么调用timerfd_settime()就会在old_value里返回定时器的默认配置。

---

timerfd_gettime()

原型如下，

int timerfd_gettime(int fd, struct itimerspec *curr_value);

这个函数相对来说比较简单，就是获取fd指向的定时器的当前设置，注意这里说的是当前设置，一旦定时器启动，那么离第一次到期的定时时间就会越来越近，其当前设置就会不断的变化，所以curr_value里的it_value表示的是当前时间（调用timerfd_gettime时）到第一次到期时间之间的剩余时间。

---

举例

下面以代码来讲解如何使用timerfd系列函数来实现定时功能，促进对前面用法的理解。本示例使用read()对定时器进行监测，如果有多个定时器需要监测，则推荐使用select，poll或epoll。

1. one shot定时器：

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


#define handle_error(msg) \
       do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

void print_elapsed_time(void);

int main(void)
{
    int timerfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, TFD_NONBLOCK);
    if (timerfd == -1)
    {
        handle_error("timerfd_create");
    }

    struct itimerspec new_value = {};
    new_value.it_value.tv_sec  = 10; // 10s
    new_value.it_value.tv_nsec = 0;
    
    new_value.it_interval.tv_sec  = 0; // one shot
    new_value.it_interval.tv_nsec = 0;

    if (timerfd_settime(timerfd, 0, &new_value, NULL) == -1)
    {
        handle_error("timerfd_settime");
    }

    print_elapsed_time();
    printf("timer started\n");


    uint64_t exp = 0;
    while (1)
    {
        int ret = read(timerfd, &exp, sizeof(uint64_t));
        
        if (ret == sizeof(uint64_t)) // 第一次定时到期
        {
            printf("ret: %d\n", ret);
            printf("expired times: %llu\n", exp);
            break;
        }

        // struct itimerspec curr;
        // if (timerfd_gettime(timerfd, &curr) == -1)
        // {
        //     handle_error("timerfd_gettime");
        // }
        // printf("remained time: %lds\n", curr.it_value.tv_sec);

        print_elapsed_time();
    }

    return 0;

}



void print_elapsed_time(void)
{
    static struct timeval start = {};
    static int first_call = 1;

    if (first_call == 1)
    {
        first_call = 0;
        if (gettimeofday(&start, NULL) == -1)
        {
            handle_error("gettimeofday");
        }
    }

    struct timeval current = {};
    if (gettimeofday(&current, NULL) == -1)
    {
        handle_error("gettimeofday");
    }

    static int old_secs = 0, old_usecs = 0;

    int secs  = current.tv_sec - start.tv_sec;
    int usecs = current.tv_usec - start.tv_usec;
    if (usecs < 0)
    {
        --secs;
        usecs += 1000000;
    }

    usecs = (usecs + 500)/1000; // 四舍五入

    if (secs != old_secs || usecs != old_usecs)
    {
    	printf("%d.%03d\n", secs, usecs);
    	old_secs = secs;
    	old_usecs = usecs;
    }
}

代码解析：

• 定时器第一次到期时间是10s
• print_elapsed_time()里使用gettimeofday()来打印定时器启动后流逝的时间，gettimeofday的使用可以参照这篇文章
• 使用read来查看定时器是否到期，一旦到期，read就会返回一个8字节的整数，类型是uint64_t，这个整数表示定时器到期的次数，由于本代码是one shot的，所以会返回1，意思是只到期一次
• 定时器创建时指定了TFD_NONBLOCK标志，所以read时不会阻塞
• 代码里调用了timerfd_gettime，可以看到定时器的配置是不断变化的，这部分代码暂时注释了，可以自己打开编译运行，然后看看效果

2. 周期定时器

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


#define handle_error(msg) \
       do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)

void print_elapsed_time(void);

int main(void)
{
    int timerfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, TFD_NONBLOCK);
    if (timerfd == -1)
    {
        handle_error("timerfd_create");
    }

    struct itimerspec new_value = {};
    new_value.it_value.tv_sec  = 10; // 10s
    new_value.it_value.tv_nsec = 0;

    new_value.it_interval.tv_sec  = 5; // 5s cycle
    new_value.it_interval.tv_nsec = 0;

    if (timerfd_settime(timerfd, 0, &new_value, NULL) == -1)
    {
        handle_error("timerfd_settime");
    }

    print_elapsed_time();
    printf("timer started\n");

    uint64_t exp = 0;
    while (1)
    {
        int ret = read(timerfd, &exp, sizeof(uint64_t));
        if (ret == sizeof(uint64_t)) 
        {
            printf("ret: %d\n", ret);
            printf("===> expired times: %llu\n", exp);
        }
        print_elapsed_time();
    }

    return 0;

}



void print_elapsed_time(void)
{
    static struct timeval start = {};
    static int first_call = 1;

    if (first_call == 1)
    {
        first_call = 0;
        if (gettimeofday(&start, NULL) == -1)
        {
            handle_error("gettimeofday");
        }
    }

    struct timeval current = {};
    if (gettimeofday(&current, NULL) == -1)
    {
        handle_error("gettimeofday");
    }

    static int old_secs = 0, old_usecs = 0;

    int secs  = current.tv_sec - start.tv_sec;
    int usecs = current.tv_usec - start.tv_usec;
    if (usecs < 0)
    {
        --secs;
        usecs += 1000000;
    }

    usecs = (usecs + 500)/1000; // 四舍五入

    if (secs != old_secs || usecs != old_usecs)
    {
    	printf("%d.%03d\n", secs, usecs);
    	old_secs = secs;
    	old_usecs = usecs;
    }

}

代码解析：

• 定时器第一次到期时间是10s，后续定时周期为5s
• 因为每次到期我们都会去做read，所以每次到期时，read的返回值都是1；如果到期了没有去做read，那么此时去做read，就会返回先前的到期次数累加和

---

总结

本文讲述timerfd系列函数的基本用法，主要参考了Linux的man手册，并加上了自己的理解。

如果有写的不对的地方，希望能留言指正，谢谢阅读。