Linux之时钟中断详解

什么是时钟中断

时钟中断是Linux系统内核所提供的一种基本的系统管理机制。正是因为有了时钟中断这种机制，操作系统才能够在执行任务的同时，不断地监视硬件设备的状态、处理软件信号、轮流调度所有的进程等等。

时钟中断是一个定时器机制。当时钟中断的计数器达到设定值时，就会触发一个中断，将控制权交给内核去处理中断事件。在Linux系统中，时钟中断的计数器被称为jiffies计数器。

jiffies计数器工作原理

jiffies计数器是在内核初始化时初始化的，其初始值为0。每处理一次时钟中断，jiffies计数器的值就会加1。在x86架构的机器上，中断处理函数（即操作系统内核所提供的系统调用）通常被称为timer_interrupt()。

时钟中断的作用

• 时钟中断的一项主要作用是分时（time sharing）处理。分时处理允许多个程序共享一个处理它们计算机的时间。Linux中的进程是使用分时调度算法（round-robin）来共享CPU资源的。
• 另一个重要作用是用于软件计时器的管理。由于软件时钟计时器的频率相对于硬件时钟计时器低得多，因此它们是用时钟中断触发的。软件计时器用于在固定时间间隔内触发某个事件，例如定期检查磁盘空间，或在一段时间后重新连接网络等等。

如何编写处理时钟中断的程序

在Linux系统中，我们可以使用setitimer()函数来注册处理时钟中断的处理函数。

#include <sys/time.h>

int setitimer(int which, const struct itimerval *value,
              struct itimerval *ovalue);

其中，参数说明如下：

• which: 用来指定定时器类型，可以是ITIMER_REAL、ITIMER_VIRTUAL，或者ITIMER_PROF。
• value: 指向一个struct itimerval结构体的指针，用来指定经过多少时间后定时器将会到期。
• ovalue: 用来获取之前设置的定时器的值。

示例1：每隔1s输出一个hello world，并在第10秒时停止输出。

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>

void timer_handler(int sig) {
    static int count = 0;
    printf("hello world %d\n", ++count);
    if (count == 10) {
        exit(0);
    }
}

int main() {
    struct itimerval timer;
    signal(SIGALRM, timer_handler);

    timer.it_value.tv_sec = 1;
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 1;
    timer.it_interval.tv_usec = 0;

    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);

    while (1) {}
    return 0;
}

示例2：每隔500ms将计数器加1，直到达到1000后停止。

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <signal.h>

volatile int count = 0;

void timer_handler(int sig) {
    count++;
}

int main() {
    struct itimerval timer;
    signal(SIGALRM, timer_handler);

    timer.it_value.tv_sec = 0;
    timer.it_value.tv_usec = 500000;
    timer.it_interval.tv_sec = 0;
    timer.it_interval.tv_usec = 500000;

    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);

    while (count < 1000) {}
    printf("count: %d\n", count);
    return 0;
}

以上两个示例演示了如何在Linux系统中使用setitimer()函数来处理时钟计时器事件。其中，示例1演示了如何每隔1秒输出一次hello world，示例2演示了如何在每个500ms内将计数器加1，直到达到1000后停止。