作者：CppExplore 網(wǎng)址：http://www.shnenglu.com/CppExplore/
一、 基礎(chǔ)知識(shí)
1、時(shí)間類型。Linux下常用的時(shí)間類型有4個(gè)：time_t，struct timeval，struct timespec，struct tm。
（1）time_t是一個(gè)長整型，一般用來表示用1970年以來的秒數(shù)。
（2）Struct timeval有兩個(gè)成員，一個(gè)是秒，一個(gè)是微妙。

struct timeval {
               long tv_sec;        /**//* seconds */
               long tv_usec;  /**//* microseconds */
       };

（3）struct timespec有兩個(gè)成員，一個(gè)是秒，一個(gè)是納秒。

struct timespec{
                      time_t  tv_sec;         /**//* seconds */
                      long    tv_nsec;        /**//* nanoseconds */
              };

（4）struct tm是直觀意義上的時(shí)間表示方法：

struct tm {
                      int     tm_sec;         /**//* seconds */
                      int     tm_min;         /**//* minutes */
                      int     tm_hour;        /**//* hours */
                      int     tm_mday;        /**//* day of the month */
                      int     tm_mon;         /**//* month */
                      int     tm_year;        /**//* year */
                      int     tm_wday;        /**//* day of the week */
                      int     tm_yday;        /**//* day in the year */
                      int     tm_isdst;       /**//* daylight saving time */
              };

2、 時(shí)間操作
（1） 時(shí)間格式間的轉(zhuǎn)換函數(shù)
主要是 time_t、struct tm、時(shí)間的字符串格式之間的轉(zhuǎn)換。看下面的函數(shù)參數(shù)類型以及返回值類型：

char *asctime(const struct tm *tm);
char *ctime(const time_t *timep);
struct tm *gmtime(const time_t *timep);
struct tm *localtime(const time_t *timep);
time_t mktime(struct tm *tm);

gmtime和localtime的參數(shù)以及返回值類型相同，區(qū)別是前者返回的格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，后者是當(dāng)?shù)貢r(shí)間。
（2） 獲取時(shí)間函數(shù)
兩個(gè)函數(shù)，獲取的時(shí)間類型看原型就知道了：

time_t time(time_t *t);
int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);

前者獲取time_t類型，后者獲取struct timeval類型，因?yàn)轭愋偷木壒剩罢咧荒芫_到秒，后者可以精確到微秒。
二、 延遲函數(shù)
主要的延遲函數(shù)有：sleep(),usleep(),nanosleep(),select(),pselect().

unsigned int sleep(unsigned int seconds);
void usleep(unsigned long usec);
int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);
int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);
int pselect(int   n,   fd_set   *readfds,  fd_set  *writefds,  fd_set *exceptfds, const struct timespec *timeout, const sigset_t *sigmask);

alarm函數(shù)是信號(hào)方式的延遲，這種方式不直觀，這里不說了。
僅通過函數(shù)原型中時(shí)間參數(shù)類型，可以猜測sleep可以精確到秒級(jí)，usleep/select可以精確到微妙級(jí)，nanosleep和pselect可以精確到納秒級(jí)。
而實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，linux上的nanosleep和alarm相同，都是基于內(nèi)核時(shí)鐘機(jī)制實(shí)現(xiàn)，受linux內(nèi)核時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)的影響，并不能達(dá)到納秒級(jí)的精度，man nanosleep也可以看到這個(gè)說明，man里給出的精度是：Linux/i386上是10 ms ，Linux/Alpha上是1ms。
這里有一篇文章http://blog.csdn.net/zhoujunyi/archive/2007/03/30/1546330.aspx，測試了不同延遲函數(shù)之間的精確度。文章給出的結(jié)論是linux上精度最高的是select，10ms級(jí)別。我在本機(jī)器測試select和pselect相當(dāng)，都達(dá)到了1ms級(jí)的精度，精度高于文章中給出的10ms，sleep在秒級(jí)以上和usleep/nanosleep相當(dāng)。下面貼下我機(jī)器上1ms時(shí)候的測試結(jié)果，其他不貼了：

sleep           1000          0      -1000 
usleep           1000       2974       1974 
nanosleep        1000       2990       1990 
select           1000        991         -9 
pselect           1000        990        -10 
gettimeofday           1000       1000          0

而使用gettimeofday循環(huán)不停檢測時(shí)間，可精確微秒級(jí)，不過不適宜用來做定時(shí)器模塊。
因此后面的定時(shí)期模塊將選擇select為延遲函數(shù)。
三、 定時(shí)器模塊需求以及實(shí)現(xiàn)概述
1、需求。從實(shí)現(xiàn)結(jié)果的角度說來，需求就是最終的使用方式。呵呵，不詳細(xì)描述需求了，先直接給出我實(shí)現(xiàn)的CTimer類的三個(gè)主要接口：

Class CTimer{
Public:
CTimer(unsigned int vinterval,void (*vfunc)(CTimer *,void *),void *vdata,TimerType vtype);
void start();
void stop();
void reset(unsigned int vinterval);
};

使用定時(shí)器模塊的步驟如下：
（1） 實(shí)例化一個(gè)CTimer，參數(shù)的含義依次是：vinterval間隔時(shí)間（單位ms），vfunc是時(shí)間到回調(diào)的函數(shù)，vdata回調(diào)函數(shù)使用的參數(shù)，vtype定時(shí)器的類型，分一次型和循環(huán)型兩種。
（2） 調(diào)用start方法。
（3） 必要的時(shí)候調(diào)用stop和reset。
2、實(shí)現(xiàn)。簡單描述下定時(shí)器模塊的實(shí)現(xiàn)，有一個(gè)manager單例類保存所有CTimer對象，開啟一線程運(yùn)行延遲函數(shù)，每次延遲間隔到，掃描保存CTimer的容器，對每個(gè)CTimer對象執(zhí)行減少時(shí)間操作，減少到0則執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。對一次性CTimer，超時(shí)則從容器中刪除，循環(huán)型的將間隔時(shí)間重置，不從容器中移除。
CTimer的start執(zhí)行將對象插入到manager容器中操作；stop執(zhí)行將對象從manager容器中刪除的操作；reset執(zhí)行先刪除，重置間隔，然后再放到容器中，reset不改變CTimer的定時(shí)器類型屬性。
四、 定時(shí)器模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選擇
Manager類的容器要頻繁進(jìn)行的操作涉及插入、刪除、查詢等。
誤區(qū)：（1）簡單看，好象該容器要是有序的，方便插入刪除等，貌似紅黑樹比較合適。其實(shí)不然，插入刪除操作的頻率很低，最頻繁的還是每次時(shí)延到，對容器的掃描并做時(shí)間減少操作，紅黑樹在做順序掃描相對鏈表并沒什么優(yōu)勢。
（2） 插入的時(shí)候依照順序鏈表的方式插入到合適的位置保持排序，以保證超時(shí)的對象都在鏈表的頭端。其實(shí)這也是沒必要的，每次時(shí)延到，對每一個(gè)對象都要做時(shí)間減少操作，因此不管是有序還是無序，都是一次掃描就執(zhí)行完下面操作：減少時(shí)間、判斷是否超時(shí)，是則執(zhí)行回調(diào)，繼續(xù)判斷是什么類型，一次型的則執(zhí)行完就移除，循環(huán)型則執(zhí)行完直接重置間隔就可。
因此，只需要能快速插入頭、刪除結(jié)點(diǎn)、遍歷就好。我的實(shí)現(xiàn)直接使用BSD內(nèi)核中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LIST，插入頭、刪除時(shí)間復(fù)雜度都是1，遍歷就不說了。linux下/usr/include/sys下有頭文件queue.h里也有LIST結(jié)構(gòu)以及操作的定義。貌似linux下的少了遍歷宏：

#define LIST_FOREACH(var, head, field)     \
 for((var) = LIST_FIRST(head);     \
     (var)!= LIST_END(head);     \
     (var) = LIST_NEXT(var, field))

五、 詳細(xì)實(shí)現(xiàn)
這里帖出主要的代碼，請重點(diǎn)關(guān)注CTimerManager:: process方法，不再詳細(xì)說了。需要詳細(xì)的全部代碼，可來信索取，整體代碼很簡單，就兩個(gè)類。

class CTimer
{
friend class CTimerManager;
public:
    typedef enum
    {
        TIMER_IDLE=0,  //start前以及手動(dòng)調(diào)用stop后的狀態(tài)
        TIMER_ALIVE,  //在manager的list里時(shí)候的狀態(tài)
        TIMER_TIMEOUT  //超時(shí)后被移除的狀態(tài)，循環(huán)型的沒有
    }TimerState;
    typedef enum
    {
        TIMER_ONCE=0,  //一次型
        TIMER_CIRCLE   //循環(huán)型
    }TimerType;
    CTimer(unsigned int vinterval,void (*vfunc)(CTimer *,void *),void *vdata,TimerType vtype);
    void start();
    void stop();
    void reset(unsigned int vinterval);
    ~CTimer();
private:
    unsigned int id_;     //測試用
    unsigned int m_interval;  //間隔，不變
    unsigned int m_counter;  //開始設(shè)置為interval，隨延遲時(shí)間到，減少
    TimerState m_state;      //狀態(tài)
    TimerType m_type;        //類型
    void (*m_func)(CTimer *,void *);//回調(diào)函數(shù)
    void * m_data;  //回調(diào)函數(shù)參數(shù)
    LIST_ENTRY(CTimer) entry_;  //LIST的使用方式
};
/**//*構(gòu)造函數(shù)*/
CTimer::CTimer(unsigned int vinterval,void (*vfunc)(CTimer *,void *),void *vdata,TimerType vtype):

    m_interval(vinterval),m_counter(vinterval),
    m_state(TIMER_IDLE),m_type(vtype),
    m_func(vfunc),m_data(vdata)
{}
/**//*開始定時(shí)器*/
void CTimer::start()
{
    CTimerManager::instance()->add_timer(this);
}
/**//*停止定時(shí)器*/
void CTimer::stop()
{
    CTimerManager::instance()->remove_timer(this);
}
/**//*reset定時(shí)器*/
void CTimer::reset(unsigned int vinterval)
{
    CTimerManager::instance()->remove_timer(this);
    m_counter=m_interval=vinterval;
    CTimerManager::instance()->add_timer(this);
}
/**//*析構(gòu)函數(shù)，stop操作不能省略，避免delete前忘記stop*/
CTimer::~CTimer()
{
    if(m_state==TIMER_ALIVE)
        stop();
}

CTimerManager的：

class CTimerManager
{
public:
    
    typedef enum
    {
        TIMER_MANAGER_STOP=0,
        TIMER_MANAGER_START
    }TimerManagerState;
    
    static CTimerManager * instance();
    void add_timer(CTimer * vtimer);//線程安全的add
    void remove_timer(CTimer * vtimer);//線程安全的remove
    void start();  //開始process線程
    void stop();  //停止process線程
    void dump();
protected:
    static void * process(void *); //實(shí)際的定時(shí)器時(shí)間延遲線程
private:    
    void add_timer_(CTimer * vtimer);//非線程安全的add
    void remove_timer_(CTimer * vtimer);//非線程安全的remove
    
    CTimerManager();
    static pthread_mutex_t m_mutex;
    static CTimerManager * m_instance;
    
    TimerManagerState m_state;
    LIST_HEAD(,CTimer) list_;  //LIST使用方式

    static unsigned int mark;  //測試，配合dump
};
/**//*singlton的double-check實(shí)現(xiàn)*/
CTimerManager * CTimerManager::instance()
{
    if(m_instance==NULL)
    {
        pthread_mutex_lock(&m_mutex);
        if(m_instance==NULL)
        {
            m_instance=new CTimerManager();
        }
        pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
    }
    return m_instance;
}
/**//*process必須static，不能操作非static屬性，因此傳遞this指針*/
void CTimerManager:: start()
{
         if(m_state==TIMER_MANAGER_STOP){
    m_state=TIMER_MANAGER_START;
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid,0,process,this);
      }
}
/**//*定時(shí)器模塊延遲時(shí)間線程*/
void * CTimerManager:: process(void * arg)
{
    pthread_detach(pthread_self());

    CTimerManager *manage=(CTimerManager *)arg;

    CTimer *item;
    struct timeval start,end;
    unsigned int delay;
    
    struct timeval tm;
    gettimeofday(&end,0);
/**//*使用狀態(tài)控制線程運(yùn)行，進(jìn)而容易實(shí)現(xiàn)stop，也可以使用pthread_cancel粗暴的停止，需要考慮暫停點(diǎn)等問題*/
    while(manage->m_state==TIMER_MANAGER_START)
    {
        tm.tv_sec=0;
        tm.tv_usec=DEFULT_INTERVAL*1000;
        start.tv_sec=end.tv_sec;
        start.tv_usec=end.tv_usec;
/**//*不同系統(tǒng)的延遲函數(shù)精度不同，如果需要替換為其他延遲函數(shù)，這附近修改下就好*/
        while(select(0,0,0,0,&tm)<0&&errno==EINTR);
        gettimeofday(&end,0);

        delay=(end.tv_sec-start.tv_sec)*1000+(end.tv_usec-start.tv_usec)/1000;
        pthread_mutex_lock(&manage->m_mutex);

        LIST_FOREACH(item, &(manage->list_), entry_)
        {
            item->m_counter<delay?item->m_counter=0:item->m_counter-=delay;
            if(item->m_counter==0)
            {
                if(item->m_func)
                item->m_func(item,item->m_data);

                if(item->m_type==CTimer::TIMER_ONCE)
                {
/**//*一次型的，超時(shí)，移除，并狀態(tài)CTimer::TIMER_TIMEOUT*/
                    manage->remove_timer_(item);
                    item->m_state=CTimer::TIMER_TIMEOUT;
                }
                else if(item->m_type==CTimer::TIMER_CIRCLE)
                {
/**//*循環(huán)型的，重置counter就好*/
                    item->m_counter=item->m_interval;
                }
            }
        }

        pthread_mutex_unlock(&manage->m_mutex);
    }
}

六、 討論
（1）精度問題。精度高，實(shí)時(shí)性高，但要求select等待的時(shí)間縮短，進(jìn)而增加對LIST結(jié)構(gòu)的掃描操作。精度低，實(shí)時(shí)性差，但會(huì)增加定時(shí)器線程的睡眠時(shí)間，減少對cpu的占用。一般的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)該盡量降低精度，避免不必要的掃描，對具體系統(tǒng)可考察所用到的所有定時(shí)器的實(shí)際間隔，在允許的情況下，盡量降低精度，可通過修改代碼中的宏實(shí)現(xiàn)。為了降低定時(shí)器線程對cpu的占有時(shí)間，甚有更為粗獷型的定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)為將延遲時(shí)間取list中最小的那個(gè)間隔，保證每次延遲時(shí)間到都有回調(diào)。
（2）加鎖區(qū)域問題。本文中的定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)，將定時(shí)器對象的時(shí)間減少以及函數(shù)回調(diào)的執(zhí)行等再同一個(gè)臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行，而有的定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)是在加鎖區(qū)域執(zhí)行“時(shí)間減少”操作，將減少到0的對象放到另一個(gè)超時(shí)鏈表中，解鎖后再單獨(dú)掃描超時(shí)鏈表執(zhí)行回調(diào)操作。很明顯，后者縮短了加鎖時(shí)間，能及時(shí)響應(yīng)其他的線程的定時(shí)器對象的start以及stop操作。但是后者對定時(shí)器操作的時(shí)序性有誤差，直觀反應(yīng)就是可能在定時(shí)器執(zhí)行了stop操作以后，仍然會(huì)有超時(shí)回調(diào)發(fā)生，特別是回調(diào)參數(shù)是指針的情況，可能引起難以發(fā)現(xiàn)的bug，增加調(diào)試?yán)щy。在衡量兩者的利弊后，本文采用延長加鎖時(shí)間以保證操作的時(shí)序性。因此，在實(shí)際的使用，回調(diào)函數(shù)應(yīng)盡快返回，另一方面，盡量減少系統(tǒng)內(nèi)使用的定時(shí)器數(shù)目，這個(gè)主要原因是延遲時(shí)間到要掃描LIST，哪種方式都避免不了。

七、使用示例

#include "timer_manager.h"
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
void func(CTimer * timer, void *data)
{
    printf("hi,%d\n",(int)(data));
}
/**//*隨便寫的，湊合著看吧。沒有CTimerManager::instance()->stop();也沒new對象。定時(shí)器對象可多次start和stop，使用上對暴露的接口沒有任何的契約式限制，可隨意調(diào)用*/
int main()
{
    CTimerManager::instance()->start();
    CTimer a(1000,func,(void *)1,CTimer::TIMER_CIRCLE);
    CTimer a1(2000,func,(void *)11,CTimer::TIMER_ONCE);
    CTimer a2(3000,func,(void *)12,CTimer::TIMER_ONCE);
    CTimer a3(1000,func,(void *)13,CTimer::TIMER_ONCE);
    
    a.start();
    a1.start();
    a2.start();
    a3.start();
    a.start();
    a1.start();
    a2.start();
    a3.start();

    sleep(1);
    CTimerManager::instance()->dump();
    sleep(1);
    CTimerManager::instance()->dump();
    a.reset(2000);
    a1.stop();
    a3.stop();

    sleep(10);
    return 0;
}