getitimer系统调用及示例

我们继续学习 Linux 系统编程中的重要函数。这次我们介绍 setitimer 函数的“伙伴”——getitimer 函数。虽然我们在介绍 setitimer 时已经涉及了 getitimer，但为了完整性和强调其重要性，我们再单独详细讲解一下。

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1. 函数介绍

getitimer 是一个 Linux 系统调用，专门用于查询当前进程的间隔计时器（interval timers）的当前状态。它允许程序了解指定类型计时器的剩余时间（距离下次超时还有多久）和重载时间（超时后会自动重启的周期）。

你可以把它想象成查看你设置的闹钟或定时器上还剩多少时间。

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2. 函数原型

#include <sys/time.h> // 必需

int getitimer(int which, struct itimerval *curr_value);

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3. 功能

• 查询状态: 获取由 which 参数指定的计时器类型的当前设置。
• 填充结构体: 将获取到的计时器状态信息填充到调用者提供的 struct itimerval 结构体指针 curr_value 所指向的内存中。

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4. 参数

• int which: 指定要查询的计时器类型。与 setitimer 相同，主要有以下三种：
  • ITIMER_REAL: 实时计时器。时钟源是系统实时时间，超时发送 SIGALRM。
  • ITIMER_VIRTUAL: 虚拟计时器。时钟源是进程在用户态的 CPU 时间，超时发送 SIGVTALRM。
  • ITIMER_PROF: 性能计时器。时钟源是进程在用户态和内核态的总 CPU 时间，超时发送 SIGPROF。
• struct itimerval *curr_value: 这是一个指向 struct itimerval 结构体的指针。getitimer 调用成功后，会将查询到的计时器当前状态信息存储到这个结构体中。

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5. struct itimerval 结构体

这个结构体在 setitimer 和 getitimer 中都使用，用于表示计时器的时间设置：

struct itimerval {
    struct timeval it_interval; // 重载时间 (Interval)
    struct timeval it_value;    // 当前值/剩余时间 (Value)
};

其中 struct timeval 定义了秒和微秒：

struct timeval {
    time_t      tv_sec;         // 秒
    suseconds_t tv_usec;        // 微秒 (0 - 999,999)
};

• 通过 getitimer 返回的 curr_value:
  • curr_value->it_value: 表示该计时器当前还剩多少时间就会超时。如果计时器未启动或已超时，这个值通常是 0。
  • curr_value->it_interval: 表示该计时器被设置的重载时间（周期）。这个值是在调用 setitimer 时设置的，getitimer 只是将其读取出来。

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6. 返回值

• 成功时: 返回 0。同时，curr_value 指向的结构体被成功填充。
• 失败时: 返回 -1，并设置全局变量 errno 来指示具体的错误原因（例如 EINVAL which 参数无效）。

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7. 相似函数，或关联函数

• setitimer: 用于设置间隔计时器。
• getitimer 与 setitimer: 通常成对出现，用于查询和设置计时器。
• alarm / setitimer: alarm(seconds) 大致等价于 setitimer(ITIMER_REAL, ...)。
• timer_gettime: POSIX 定时器 API 中用于获取定时器时间的函数，功能更强大。
• clock_gettime: 用于获取各种系统时钟的当前时间。

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8. 示例代码

示例 1：监控 ITIMER_REAL 的倒计时

这个例子演示了如何在启动一个 ITIMER_REAL 计时器后，使用 getitimer 在循环中监控其剩余时间。

#include <sys/time.h> // getitimer, setitimer
#include <signal.h>   // signal
#include <unistd.h>   // pause
#include <stdio.h>    // printf, perror
#include <stdlib.h>   // exit
#include <string.h>   // memset

volatile sig_atomic_t alarm_fired = 0;

void alarm_handler(int sig) {
    write(STDERR_FILENO, "Timer expired! SIGALRM received.\n", 32);
    alarm_fired = 1;
}

int main() {
    struct itimerval timer, current_timer;
    int seconds_to_wait = 5;

    if (signal(SIGALRM, alarm_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal SIGALRM");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 1. 设置 ITIMER_REAL 计时器
    memset(&timer, 0, sizeof(timer)); // 清零结构体是个好习惯
    timer.it_value.tv_sec = seconds_to_wait; // 5 秒后超时
    timer.it_interval.tv_sec = 0;            // 一次性，不重复

    printf("Setting ITIMER_REAL to expire in %d seconds.\n", seconds_to_wait);

    if (setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL) == -1) {
        perror("setitimer");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Monitoring timer countdown:\n");

    // 2. 循环监控计时器剩余时间
    while (!alarm_fired) {
        if (getitimer(ITIMER_REAL, &current_timer) == -1) {
            perror("getitimer");
            // 即使 getitimer 失败，也继续循环或退出
            break;
        }

        // 打印剩余时间
        printf("  Time remaining: %ld.%06ld seconds\n",
               (long)current_timer.it_value.tv_sec,
               (long)current_timer.it_value.tv_usec);

        // 简单延时 0.5 秒再检查 (可以使用 nanosleep 实现更精确的延时)
        usleep(500000); // 500,000 微秒 = 0.5 秒
    }

    if (alarm_fired) {
        printf("Timer has fired. Program exiting.\n");
    } else {
        printf("Loop exited before timer fired.\n");
    }

    return 0;
}

代码解释:

1. 设置 SIGALRM 信号处理函数。
2. 使用 setitimer 启动一个 5 秒后超时的一次性 ITIMER_REAL 计时器。
3. 进入一个 while 循环，循环条件是 alarm_fired 标志为假。
4. 在循环内部：
   • 调用 getitimer(ITIMER_REAL, &current_timer) 获取计时器的当前状态。
   • 检查返回值，处理可能的错误。
   • 打印 current_timer.it_value 中的剩余秒数和微秒数。
   • 调用 usleep(500000) 延时 0.5 秒，然后继续下一次循环。
5. 当 SIGALRM 信号到达，alarm_handler 被调用，设置 alarm_fired 为真，主循环退出。

示例 2：检查周期性计时器的状态

这个例子演示了如何查询一个周期性计时器的剩余时间和重载时间。

#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdatomic.h>
#include <string.h>

volatile atomic_int prof_count = 0;

void prof_handler(int sig) {
    atomic_fetch_add(&prof_count, 1);
    // 简单打印，实际信号处理应更谨慎
    write(STDERR_FILENO, "SIGPROF\n", 8);
}

int main() {
    struct itimerval timer, status;
    const int period_sec = 2;
    const int num_intervals = 3;

    if (signal(SIGPROF, prof_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal SIGPROF");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 1. 设置 ITIMER_PROF 周期性计时器
    memset(&timer, 0, sizeof(timer));
    timer.it_value.tv_sec = period_sec;     // 第一次 2 秒后超时
    timer.it_interval.tv_sec = period_sec;  // 之后每 2 秒超时一次

    printf("Setting periodic ITIMER_PROF timer (every %d seconds).\n", period_sec);

    if (setitimer(ITIMER_PROF, &timer, NULL) == -1) {
        perror("setitimer ITIMER_PROF");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Checking timer status immediately after setting:\n");
    if (getitimer(ITIMER_PROF, &status) == -1) {
        perror("getitimer ITIMER_PROF");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("  Current value (remaining time): %ld.%06ld seconds\n",
           (long)status.it_value.tv_sec, (long)status.it_value.tv_usec);
    printf("  Interval (reload time): %ld.%06ld seconds\n",
           (long)status.it_interval.tv_sec, (long)status.it_interval.tv_usec);

    // 2. 等待几个周期
    printf("Waiting for %d intervals...\n", num_intervals);
    int last_count = 0;
    while (atomic_load(&prof_count) < num_intervals) {
        // 可以在这里做些消耗 CPU 的工作，让 ITIMER_PROF 计时
        // 为了简单，我们用 sleep 模拟时间流逝
        // 注意：sleep 是墙钟时间，而 ITIMER_PROF 是 CPU 时间
        // 如果进程大部分时间在 sleep，ITIMER_PROF 可能不会按预期计时
        // 这里只是演示 getitimer，实际使用中要考虑时钟源
        sleep(1);

        // 检查计时器状态
        if (getitimer(ITIMER_PROF, &status) == -1) {
            perror("getitimer during loop");
        } else {
            // 只在计数变化时打印，减少输出
            int current_count = atomic_load(&prof_count);
            if (current_count != last_count) {
                printf("  After %d SIGPROF signals:\n", current_count);
                printf("    Current value: %ld.%06ld seconds\n",
                       (long)status.it_value.tv_sec, (long)status.it_value.tv_usec);
                printf("    Interval: %ld.%06ld seconds (unchanged)\n",
                       (long)status.it_interval.tv_sec, (long)status.it_interval.tv_usec);
                last_count = current_count;
            }
        }
    }

    printf("Received %d SIGPROF signals. Stopping timer.\n", num_intervals);

    // 3. 停止计时器
    struct itimerval stop_timer = {{0, 0}, {0, 0}};
    if (setitimer(ITIMER_PROF, &stop_timer, NULL) == -1) {
        perror("setitimer stop ITIMER_PROF");
    }

    // 4. 再次检查状态 (应该都是 0)
    printf("Checking timer status after stopping:\n");
    if (getitimer(ITIMER_PROF, &status) == -1) {
        perror("getitimer after stop");
    } else {
        printf("  Current value: %ld.%06ld seconds\n",
               (long)status.it_value.tv_sec, (long)status.it_value.tv_usec);
        printf("  Interval: %ld.%06ld seconds\n",
               (long)status.it_interval.tv_sec, (long)status.it_interval.tv_usec);
    }

    return 0;
}

代码解释:

1. 设置 SIGPROF 信号处理函数，并使用原子变量 prof_count 来计数。
2. 使用 setitimer 启动一个每 2 秒触发一次的周期性 ITIMER_PROF 计时器。
3. 立即调用 getitimer 检查并打印计时器的初始状态，可以看到 it_value 和 it_interval 都被正确设置。
4. 进入循环等待 SIGPROF 信号。为了简化，循环中使用 sleep(1)，但这并不会增加 ITIMER_PROF 的计时，因为 sleep 是墙钟时间，而 ITIMER_PROF 计算的是 CPU 时间。在实际性能分析中，这里应该是消耗 CPU 的工作。
5. 在循环中定期调用 getitimer，并打印剩余时间。注意 it_interval 始终保持不变，因为它表示的是设置的周期。
6. 接收到指定数量的信号后，通过设置 it_value 和 it_interval 都为 0 来停止计时器。
7. 最后再次调用 getitimer，确认计时器已停止（值为 0）。

示例 3：结合 setitimer 的 old_value 和 getitimer

这个例子演示了如何结合使用 setitimer 的 old_value 参数和 getitimer 来管理计时器状态。

#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void alarm_handler(int sig) {
    write(STDERR_FILENO, "SIGALRM\n", 8);
}

void print_timer_status(const char *msg, const struct itimerval *timer) {
    printf("%s:\n", msg);
    printf("  Current value (remaining): %ld.%06ld seconds\n",
           (long)timer->it_value.tv_sec, (long)timer->it_value.tv_usec);
    printf("  Interval (reload): %ld.%06ld seconds\n",
           (long)timer->it_interval.tv_sec, (long)timer->it_interval.tv_usec);
}

int main() {
    struct itimerval initial_timer, old_timer, current_timer;

    if (signal(SIGALRM, alarm_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal SIGALRM");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 1. 设置一个初始计时器 (10秒后超时，不重复)
    memset(&initial_timer, 0, sizeof(initial_timer));
    initial_timer.it_value.tv_sec = 10;
    printf("Setting initial timer for 10 seconds.\n");
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &initial_timer, NULL) == -1) {
        perror("setitimer initial");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    sleep(3); // 等待 3 秒

    // 2. 使用 setitimer 的 old_value 参数获取并保存旧设置
    struct itimerval temp_timer = {{0, 0}, {0, 0}}; // 新的临时设置 (这里设置为 0)
    printf("\nCalling setitimer to get old value (without changing timer).\n");
    // 通过设置一个 '0' 计时器并获取 old_value，可以读取当前状态
    // 但这会取消当前计时器，不太符合 '只读' 的目的
    // 更标准的 '只读' 方式是使用 getitimer

    // 让我们用更清晰的方式：先 getitimer，再用 setitimer 的 old_value
    printf("--- Correct way to get timer status ---\n");
    if (getitimer(ITIMER_REAL, &current_timer) == -1) {
        perror("getitimer");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    print_timer_status("Status after 3 seconds (using getitimer)", &current_timer);

    // 3. 现在，设置一个新计时器 (5秒)，并保存旧设置
    struct itimerval new_timer;
    memset(&new_timer, 0, sizeof(new_timer));
    new_timer.it_value.tv_sec = 5; // 5 秒后超时

    printf("\n--- Setting new timer (5s) and saving old setting ---\n");
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &new_timer, &old_timer) == -1) {
        perror("setitimer with old_value");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    print_timer_status("Saved old timer setting", &old_timer);

    sleep(2); // 再等待 2 秒

    // 4. 检查当前计时器状态
    if (getitimer(ITIMER_REAL, &current_timer) == -1) {
        perror("getitimer current");
    } else {
        print_timer_status("Current timer status (after 2s of new timer)", &current_timer);
    }

    printf("Waiting for new 5-second timer to expire...\n");
    pause(); // 等待 SIGALRM

    // 5. 恢复旧的计时器设置
    printf("\n--- Restoring old timer setting ---\n");
    if (setitimer(ITIMER_REAL, &old_timer, NULL) == -1) {
        perror("setitimer restore old");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (getitimer(ITIMER_REAL, &current_timer) == -1) {
        perror("getitimer after restore");
    } else {
        print_timer_status("Timer status after restore", &current_timer);
    }

    printf("Waiting for restored timer to expire...\n");
    pause(); // 等待恢复的计时器 SIGALRM

    printf("Restored timer expired. Program finished.\n");
    return 0;
}

代码解释:

1. 设置一个 10 秒后超时的初始计时器。
2. 等待 3 秒后，调用 getitimer 获取并打印当前计时器状态（剩余约 7 秒）。
3. 调用 setitimer(ITIMER_REAL, &new_timer, &old_timer)：
   • 设置一个新的 5 秒计时器。
   • 将旧计时器的设置（剩余约 7 秒）通过 old_value 参数保存在 old_timer 变量中。
4. 等待 2 秒后，再次调用 getitimer 检查当前（新）计时器的状态（剩余约 3 秒）。
5. 等待新计时器超时。
6. 调用 setitimer(ITIMER_REAL, &old_timer, NULL) 将计时器恢复为之前保存的设置（约 7 秒）。
7. 调用 getitimer 验证恢复是否成功。
8. 等待恢复的计时器超时。

重要提示与注意事项:

1. “只读”查询: getitimer 是查询计时器状态的标准且推荐方式。虽然可以通过 setitimer 的 old_value 参数间接获取信息（例如设置一个 0 秒的定时器），但这通常会改变计时器状态（取消它），不符合“只读”查询的初衷。
2. 精度: getitimer 返回的时间精度是微秒（tv_usec）。
3. 时钟源: 返回的 it_value（剩余时间）是基于对应计时器的时钟源的。ITIMER_REAL 是墙钟时间，ITIMER_VIRTUAL 和 ITIMER_PROF 是 CPU 时间。
4. 状态检查: getitimer 是检查计时器是否仍在运行以及还剩多少时间的有效方法。
5. 与 setitimer 配合: getitimer 和 setitimer 经常一起使用，用于保存、恢复或动态调整计时器设置。

总结:

getitimer 是一个专门用于查询进程间隔计时器当前状态的系统调用。它通过填充 struct itimerval 结构体，返回指定计时器的剩余时间和重载时间。理解其与 setitimer 的配合使用对于精确控制和监控基于信号的定时任务至关重要。虽然 setitimer 的 old_value 参数也能提供一些信息，但 getitimer 是进行“只读”状态查询的标准和清晰的方法。

getitimer系统调用及示例-CSDN博客