Muduo网络编程示例之三：定时器
程序中的时间
程序中对时间的处理是个大问题，我打算单独写一篇文章来全面地讨论这个问题。文章暂定名《〈程序中的日期与时间〉第二章 计时与定时》，跟《〈程序中的日期与时间〉第一章 日期计算》放到一个系列，这个系列预计会有四篇文章。在这篇博客里里我先简要谈谈与编程直接相关的内容，把更深入的内容留给上面提到的日期与时间专题文章。
在一般的服务端程序设计中，与时间有关的常见任务有：
获取当前时间，计算时间间隔；
时区转换与日期计算；把纽约当地时间转换为上海当地时间；2011-02-05 之后第 100 天是几月几号星期几？等等
定时操作，比如在预定的时间执行一项任务，或者在一段延时之后执行一项任务。
其中第 2 项看起来复杂，其实最简单。日期计算用 Julian Day Number，时区转换用 tz database；惟一麻烦一点的是夏令时，但也可以用 tz database 解决。这些操作都是纯函数，很容易用一套单元测试来验证代码的正确性。需要特别注意的是，用 tzset/localtime_r 来做时区转换在多线程环境下可能会有问题；对此我的解决办法是写一个 TimeZone class，以避免影响全局，将来在日期与时间专题中会讲到。以下本文不考虑时区，均为 UTC 时间。真正麻烦的是第 1 项和第 3 项。一方面，Linux 有一大把令人眼花缭乱的与时间相关的函数和结构体，在程序中该如何选用？另一方面，计算机中的时钟不是理想的计时器，它可能会漂移或跳变；最后，民用的 UTC 时间与闰秒的关系也让定时任务变得复杂和微妙。当然，与系统当前时间有关的操作也让单元测试变得困难。
Linux 时间函数
Linux 的计时函数，用于获得当前时间：time(2) / time_t （秒）
ftime(3) / struct timeb （毫秒）
gettimeofday(2) / struct timeval （微秒）
clock_gettime(2) / struct timespec （纳秒）
gmtime / localtime / timegm / mktime / strftime / struct tm （这些与当前时间无关）
定时函数，用于让程序等待一段时间或安排计划任务：sleep
alarm
usleep
nanosleep
clock_nanosleep
getitimer / setitimer
timer_create / timer_settime / timer_gettime / timer_delete
timerfd_create / timerfd_gettime / timerfd_settime
我的取舍如下：（计时）只使用 gettimeofday 来获取当前时间。
（定时）只使用 timerfd_* 系列函数来处理定时。
gettimeofday 入选原因：（这也是 muduo::Timestamp class 的主要设计考虑）time 的精度太低，ftime 已被废弃，clock_gettime 精度最高，但是它系统调用的开销比 gettimeofday 大。
在 x86-64 平台上，gettimeofday 不是系统调用，而是在用户态实现的（搜 vsyscall），没有上下文切换和陷入内核的开销。
gettimeofday 的分辨率 (resolution) 是 1 微秒，足以满足日常计时的需要。muduo::Timestamp 用一个 int64_t 来表示从 Epoch 到现在的微秒数，其范围可达上下 30 万年。
timerfd_* 入选的原因：sleep / alarm / usleep 在实现时有可能用了信号 SIGALRM，在多线程程序中处理信号是个相当麻烦的事情，应当尽量避免。（近期我会写一篇博客仔细讲讲“多线程、RAII、fork() 与信号”）
nanosleep 和 clock_nanosleep 是线程安全的，但是在非阻塞网络编程中，绝对不能用让线程挂起的方式来等待一段时间，程序会失去响应。正确的做法是注册一个时间回调函数。
getitimer 和 timer_create 也是用信号来 deliver 超时，在多线程程序中也会有麻烦。timer_create 可以指定信号的接收方是进程还是线程，算是一个进步，不过在信号处理函数(signal handler)能做的事情实在很受限。
timerfd_create 把时间变成了一个文件描述符，该“文件”在定时器超时的那一刻变得可读，这样就能很方便地融入到 select/poll 框架中，用统一的方式来处理 IO 事件和超时事件，这也正是 Reactor 模式的长处。我在一年前发表的《Linux 新增系统调用的启示》中也谈到这个想法，现在我把这个想法在 muduo 网络库中实现了。
传统的 Reactor 利用 select/poll/epoll 的 timeout 来实现定时功能，但 poll 和 epoll 的定时精度只有毫秒，远低于 timerfd_settime 的定时精度。
必须要说明，在 Linux 这种非实时多任务操作系统中，在用户态实现完全精确可控的计时和定时是做不到的，因为当前任务可能会被随时切换出去，这在 CPU 负载大的时候尤为明显。但是，我们的程序可以尽量提高时间精度，必要的时候通过控制 CPU 负载来提高时间操作的可靠性，在程序在 99.99% 的时候都是按预期执行的。这或许比换用实时操作系统并重新编写并测试代码要经济一些。关于时间的精度(accuracy)问题我留到专题博客文章中讨论，它与分辨率(resolution)不完全是一回事儿。时间跳变和闰秒的影响与应对也不在此处展开讨论了。
Muduo 的定时器接口
Muduo EventLoop 有三个定时器函数：1: typedef boost::function<void()> TimerCallback; 2: 3: /// 4: /// Reactor, at most one per thread. 5: /// 6: /// This is an inte易做图ce class, so dont expose too much details. 7: class EventLoop : boost::noncopyable 8: { 9: public: 10: // ... 11: 12: // timers 13: 14: /// 15: TimerId runAt(const Timestamp& time, const TimerCallback& cb); 16: 17: /// 18: /// Runs callback after @c delay seconds. 19: /// Safe to call from other threads. 20: TimerId runAfter(double delay, const TimerCallback& cb); 21: 22: /// 23: /// Runs callback every @c interval seconds. 24: /// Safe to call from other threads. 25: TimerId runEvery(double interval, const TimerCallback& cb); 26: 27: /// Cancels the timer. 28: /// Safe to call from other threads. 29: // void cancel(TimerId timerId); 30: 31: // ... 32: };
runAt 在指定的时间调用 TimerCallback
runAfter 等一段时间调用 TimerCallback
runEvery 以固定的间隔反复调用 TimerCallback
cancel 取消 timer，目前未实现
回调函数在 EventLoop 对象所在的线程发生，与 onMessage() onConnection() 等网络事件函数在同一个线程。Muduo 的 TimerQueue 采用了最简单的实现（链表）来管理定时器，它的效率比不上常见的 binary heap 的做法，如果程序中大量（10 个以上）使用重复触发的定时器，或许值得考虑改用更高级的实现。我目前还没有在一个程序里用过这么多定时器，暂时也不打算优化 TimerQueue。
Boost.Asio Timer 示例
Boost.Asio 教程里以 Timer 和 Daytime 为例介绍 asio 的基本使用，daytime 已经在前文“示例一”中介绍过，这里着重谈谈 Timer。Asio 有 5 个 Timer 示例，muduo 把其中四个重新实现了一遍，并扩充了第 5 个示例。阻塞式的定时，muduo 不支持这种用法，无代码。
非阻塞定时，见 examples/asio/tutorial/timer2
在 TimerCallback 里传递参数，见 examples/asio/tutorial/timer3
以成员函数为 TimerCallback，见 examples/asio/tutorial/timer4
在多线程中回调，用 mutex 保护共享变量，见 examples/asio/tutorial/timer5
在多线程中回调，缩小临界区，把不需要互斥执行的代码移出来，见 examples/asio/tutorial/timer6
为节省篇幅，这里只列出 timer4：1: #include 2: 3: #include 4: #include 5: #include 6: 7: class Printer : boost::noncopyable 8: { 9: public: 10: Printer(muduo::net::EventLoop* loop) 11: : loop_(loop), 12: count_(0) 13: { 14: loop_->runAfter(1, boost::bind(&Printer::print, this)); 15: } 16: 17: ~Printer() 18: { 19: std::cout << "Final count is " << count_ << " "; 20: } 21: 22: void print() 23: { 24: if (count_ < 5) 25: { 26: std::cout << count_ << " "; 27: ++count_; 28: 29: loop_->runAfter(1, boost::bind(&Printer::print, this)); 30: } 31: else 32: { 33: &n
补充：软件开发 , C语言 ,
