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linux定時中斷的三種實現

阿新 • • 發佈：2019-02-10

前言

本文主要講述linux應用層三種定時中斷實現的方法。我們可以利用定時中斷在linux應用層實現一些對時間頻率要求不是很高的驅動，雖然有些不規範，但是也是有其適用的場合的。因為應用層不涉及到硬體，不同平臺可移植性更高。
本文涉及到的內容有：

  1. 多執行緒間訊號的處理
  2. 三種定時中斷的實現
  3. 測試結果與討論

一、多執行緒間訊號的處理

我們先下兩個結論，並在後面的測試程式中給出證明。

  1. 結論一：預設情況下，訊號將由主程序接收處理，就算訊號處理函式是由子執行緒註冊的。
  2. 結論二：對訊號的處理是程序中所有的執行緒共享的。

為什麼要先討論執行緒間的訊號的處理呢？這和定時中斷的實現有何關係？
放在前面討論是因為之前踩了一個坑，先把坑分享出來，以免有人掉到坑裡。
在專案開發中，對步進電機的控制，一開始我使用的是linux setitimer函式，目的是為了定時給出脈衝到步進電機，實現在應用層控制馬達的轉動。事實證明，是能夠在應用層實現的。但是，後來的測試中，其他功能報了一個錯誤，檢視log發現是sleep函式不生效。檢視相關資料才發現，他們之前都使用了同種訊號，導致了sleep函式接收了setitimer函式發出的訊號。是有想過用select函式實現自己的sleep函式，這樣可以解決問題，而且select函式比sleep函式更加準確。但是，專案搜尋出來的sleep函式實在太多了，每個都修改實在煩。所以，只能另尋他路。果然，linux還能用POSIX中內建的定時器，使用函式timer_create 和函式timer_settime可以解決上面問題。

二、定時中斷的三種實現

三種定時中斷實現：

  1. setitimer 函式產生SIGALRM訊號，同時使用signal函式註冊
  2. 使用timer_create 和 timer_settime函式可以指定任意產生任意訊號，同時使用signal函式註冊
  3. 使用timer_create 和 timer_settime函式 通知執行緒

程式實現的程式碼如下：

//timer_test.c

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

#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#include <string.h>


// return: 自CPU上電以來的時間，單位:毫秒
unsigned long long GetCpuRunTimeMs(void)
{
    unsigned long long  uptime = 0;
    struct timespec on;
    if(clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &on) == 0)
    {
        uptime = on.tv_sec * 1000ul;
        uptime += on.tv_nsec / 1000000u
 
l;
    }

    return uptime;
}
//訊號處理函式
void signal_func(int signo)
{
    static unsigned long long start_time = 0;

    switch(signo)
    {
        case SIGALRM:
            printf("%s:1s-----> take %llu ms,signo=SIGALRM(%d)\n",__FUNCTION__,GetCpuRunTimeMs()-start_time,signo);
            break;
        case SIGUSR1:
            printf("%s:1s-----> take %llu ms,signo=SIGUSR1(%d)\n",__FUNCTION__,GetCpuRunTimeMs()-start_time,signo);
            break;
        default:
            break;
    }
    start_time = GetCpuRunTimeMs();
}
//setitimer函式相關初始化
void vTimerInit(void)
{
    struct itimerval value, old_value;

    signal(SIGALRM, signal_func);
    value.it_value.tv_sec = 1; //設定距離首次中斷的時間
    value.it_value.tv_usec = 0;
    value.it_interval.tv_sec = 1; //時間間隔
    value.it_interval.tv_usec = 0;
    setitimer(ITIMER_REAL, &value, &old_value);    
}
//timer_create初始化相關，註冊訊號SIGUSR1
int vTimerCreateInit(void)
{
    struct sigevent evp;
    struct itimerspec ts;
    timer_t timer;
    int ret;
    memset(&evp, 0, sizeof(struct sigevent));   //清零初始化
    evp.sigev_value.sival_ptr = &timer;
    evp.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    evp.sigev_signo = SIGUSR1;
    signal(SIGUSR1, signal_func);

    ret = timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timer);
    if( ret )
        perror("timer_create");

    ts.it_interval.tv_sec = 1;
    ts.it_interval.tv_nsec = 0;
    ts.it_value.tv_sec = 1;
    ts.it_value.tv_nsec = 0;

    ret = timer_settime(timer, 0, &ts, NULL);
    if( ret )
        perror("timer_settime");

    return ret;
}

void timer_thread(union sigval v)
{
    static unsigned long long start_time = 0;

    printf("%s:1s-----> take %llu ms, v.sival_int = %d\n",__FUNCTION__,GetCpuRunTimeMs()-start_time,v.sival_int);
    start_time = GetCpuRunTimeMs();

}
//不採用訊號通知的方式，直接通知執行緒
int vTimerPthreadInit(void)
{
    timer_t timerid;
    struct sigevent evp;
    int ret;
    memset(&evp, 0, sizeof(struct sigevent));   //清零初始化

    evp.sigev_value.sival_int = 1111;       
    evp.sigev_notify = SIGEV_THREAD;        //執行緒通知的方式，派駐新執行緒
    evp.sigev_notify_function = timer_thread;   //執行緒函式地址

    ret = timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timerid);
    if( ret )
        perror("timer_create");

    struct itimerspec it;
    it.it_interval.tv_sec = 1;  //間隔1s
    it.it_interval.tv_nsec = 0;
    it.it_value.tv_sec = 1;     
    it.it_value.tv_nsec = 0;

    ret = timer_settime(timerid, 0, &it, NULL);
    if( ret )
        perror("timer_settime");

    return ret;

}

//執行緒，用於測試訊號接收
void *vTimerProc(void *arg)
{
    printf("pthread func:%s\n",__FUNCTION__);

    unsigned long long start_time = 0;
    while(1)
    {
        start_time = GetCpuRunTimeMs();
        sleep(5);
        printf("%s:sleep 5s take %llu ms\n",__FUNCTION__,GetCpuRunTimeMs()-start_time);
    }    
    return NULL;

}
//執行緒，用於測試訊號接收
void *vSleepProc(void *arg)
{
    printf("pthread func:%s\n",__FUNCTION__);

    unsigned long long start_time = 0;
    while(1)
    {
        start_time = GetCpuRunTimeMs();
        sleep(5);
        printf("%s:sleep 5s take %llu ms\n",__FUNCTION__,GetCpuRunTimeMs()-start_time);
    }    
    return NULL;

}

//執行緒初始化函式
void  vPthreadInit(void)
{
    printf("func:%s\n",__FUNCTION__);

    pthread_t timer_thread_id = 0;
    pthread_create(&timer_thread_id, NULL, vTimerProc, NULL);

    pthread_t sleep_thread_id = 0;
    pthread_create(&sleep_thread_id, NULL, vSleepProc, NULL);

}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        printf("please input eg: %s 1|2|3\n",argv[0]);
        printf("1:user SIGALRM\n");
        printf("2:user SIGUSR1\n");
        printf("3:user thread\n");
        return -1;
    }
    printf("func:%s ,process id is %d\n",__FUNCTION__,getpid());
    struct itimerval value, old_value;
    unsigned long long start_time = 0;
    unsigned long long end_time = 0;

    int ctrl = atoi(argv[1]);
    switch(ctrl)
    {
        case 1:
            vTimerInit();
            break;
        case 2:
            vTimerCreateInit();
            break;
        case 3:
            vTimerPthreadInit();
            break;
        default:
            return -1;
            break;
    }

    vPthreadInit();

    while(1)
    {
        start_time = GetCpuRunTimeMs();
        sleep(5);
        printf("%s:sleep 5s take %llu ms\n",__FUNCTION__,GetCpuRunTimeMs()-start_time);
    }
}

以上程式 ，並沒有所有函式都有做判斷，如果是寫到專案中，是需要加多錯誤判斷和處理的。
以下三個函式包含了定時中斷三種方式。

int vTimerPthreadInit(void)//不採用訊號通知的方式，直接通知執行緒
int vTimerCreateInit(void)//timer_create初始化相關，註冊訊號SIGUSR1
int vTimerPthreadInit(void)//不採用訊號通知的方式，直接通知執行緒

在測試程式中使用引數1,2,3區分呼叫。在main函式中處理如下：

int ctrl = atoi(argv[1]);
switch(ctrl)
{
    case 1:
        vTimerInit();
        break;
    case 2:
        vTimerCreateInit();
        break;
    case 3:
        vTimerPthreadInit();
        break;
    default:
        return -1;
        break;
}

三、測試結果與討論

接下來對程式程序測試。
編譯，需要加多兩個庫：-lpthread -lrt

ubuntu@ubuntu:~/test/timer_create$ gcc timer_test.c -o timer_test -lpthread -lrt

先執行測試一下，發現測試程式已經有提示了，按照提示來測試。

ubuntu@ubuntu:~/test/timer_create$ ./timer_test
please input eg: ./timer_test 1|2|3
1:user SIGALRM
2:user SIGUSR1
3:user thread

首先，測試setitimer函式，它在程式中會產生SIGALRM訊號

[email protected]:~/test/timer_create$ ./timer_test 1
func:main ,process id is 7186
func:vPthreadInit
pthread func:vSleepProc
pthread func:vTimerProc
signal_func:1s-----> take 535951046 ms,signo=SIGALRM(14)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGALRM(14)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGALRM(14)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGALRM(14)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGALRM(14)
main:sleep 5s take 1000 ms
vSleepProc:sleep 5s take 5001 ms
vTimerProc:sleep 5s take 5000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGALRM(14)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGALRM(14)
main:sleep 5s take 1000 ms
^C

從以上的測試結果看出，在main函式使用sleep 5秒，但是列印main:sleep 5s take 1000 ms，也就是睡眠5秒，結果1秒就被打斷。這是因為執行緒發出的SIGALRM訊號被sleep函式接收了。如果想知道具體是什麼終止了sleep函式，可以去看看它的實現。在測試程式中，我是把註冊訊號的函式放在了主執行緒。其實在測試的時候，我有把初始化訊號函式vTimerInit放線上程vTimerProc中測試，結果也是一樣的。這就可以證明結論二。而子執行緒vSleepProc和子執行緒vTimerProc中呼叫sleep函式並沒有被終止就可以證明結論一。

  1. 結論一：預設情況下，訊號將由主程序接收處理，就算訊號處理函式是由子執行緒註冊的。
  2. 結論二：對訊號的處理是程序中所有的執行緒共享的。

接著再測試timer_create函式，註冊訊號是SIGUSR1。

[email protected]:~/test/timer_create$ ./timer_test 2
func:main ,process id is 7189
func:vPthreadInit
pthread func:vSleepProc
pthread func:vTimerProc
signal_func:1s-----> take 535963773 ms,signo=SIGUSR1(10)
main:sleep 5s take 1001 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGUSR1(10)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGUSR1(10)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 999 ms,signo=SIGUSR1(10)
main:sleep 5s take 999 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGUSR1(10)
main:sleep 5s take 1000 ms
vSleepProc:sleep 5s take 5000 ms
vTimerProc:sleep 5s take 5000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGUSR1(10)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGUSR1(10)
main:sleep 5s take 1000 ms
signal_func:1s-----> take 1000 ms,signo=SIGUSR1(10)
main:sleep 5s take 1000 ms
^C

結果竟然和上一個結果是一樣的。說明使用訊號SIGUSR1還是會中斷main函式的sleep函式。目前來說，我並不清楚為什麼會影響到。
最後，測試不採用訊號通知的方式，直接通知執行緒的方式：

[email protected]:~/test/timer_create$ ./timer_test 3
func:main ,process id is 7192
func:vPthreadInit
pthread func:vSleepProc
pthread func:vTimerProc
timer_thread:1s-----> take 535974740 ms, v.sival_int = 1111
timer_thread:1s-----> take 1000 ms, v.sival_int = 1111
timer_thread:1s-----> take 1000 ms, v.sival_int = 1111
timer_thread:1s-----> take 1000 ms, v.sival_int = 1111
main:sleep 5s take 5001 ms
timer_thread:1s-----> take 1000 ms, v.sival_int = 1111
vSleepProc:sleep 5s take 5001 ms
vTimerProc:sleep 5s take 5001 ms
timer_thread:1s-----> take 1000 ms, v.sival_int = 1111
timer_thread:1s-----> take 1000 ms, v.sival_int = 1111
timer_thread:1s-----> take 1000 ms, v.sival_int = 1111
timer_thread:1s-----> take 999 ms, v.sival_int = 1111
main:sleep 5s take 5000 ms
timer_thread:1s-----> take 1001 ms, v.sival_int = 1111
vSleepProc:sleep 5s take 5000 ms
vTimerProc:sleep 5s take 5000 ms
timer_thread:1s-----> take 999 ms, v.sival_int = 1111
timer_thread:1s-----> take 1001 ms, v.sival_int = 1111
^C

從以上結果看，使用這種方式，並沒有使sleep函式終止，無論是主執行緒還是兩個子執行緒，說明在應用層使用這種方式是可行的。

最後的最後，由於專案中的嵌入式linux系統中的時鐘被設定為10ms，所以在應用層只能產生最高100hz的脈衝，這對步進電機來說還是有點慢，所以，沒辦法還是得用硬體定時中斷，實現linux裝置驅動。不過，對於I2C這種時鐘要求不高的情況，或許可以一試。還有，提醒一點：usleep函式在應用層中是相當不精準的，select函式實現延時效果較好，但還是誤差挺大的，所以才需要軟體定時器。

後續

linux一些系統呼叫是跟訊號緊密相關的，如system函式是需要捕獲SIGCHLD 訊號的，如果程式為了避免產生殭屍程序，而把SIGCHLD 訊號設定為忽略，那system呼叫就會受到影響。下次再討論system相關的技術。

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