面试题：C语言在Linux复杂场景下的高精度定时器设计

设计思路

定时器机制：
- 在Linux环境下，选择timerfd机制。timerfd是一种文件描述符形式的定时器，它可以通过epoll等多路复用机制与其他I/O事件一起处理，非常适合多线程高并发场景。timerfd定时器基于内核时钟，能提供较高精度的计时。
线程同步策略：
- 使用互斥锁（pthread_mutex_t）来保护共享资源。对于定时器相关的共享数据，例如定时器的状态、计时参数等，在访问和修改这些数据时，通过加锁和解锁操作来确保同一时间只有一个线程能操作这些数据，避免资源竞争。
- 条件变量（pthread_cond_t）用于线程间的同步。当定时器到期触发事件时，通过条件变量通知等待的线程，这样可以避免线程无效的轮询等待。
处理定时器中断与主线程任务冲突问题：
- 将定时器事件与主线程任务通过epoll多路复用机制进行统一管理。epoll可以同时监听timerfd和其他I/O事件，当timerfd有数据可读时，表示定时器到期，主线程可以在处理epoll事件时，安全地处理定时器事件，而不会与其他主线程任务产生冲突。
- 对于定时器中断处理逻辑，可以将其设计为一个独立的函数，在主线程处理epoll事件时调用该函数，这样可以将定时器相关操作与主线程其他复杂计算任务分离，保证高精度计时不受主线程复杂任务的干扰。

核心代码框架

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/timerfd.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <time.h>

// 定义定时器相关结构体
typedef struct {
    int timerfd;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    struct itimerspec new_value;
    int is_running;
} Timer;

// 初始化定时器
void init_timer(Timer *timer, long long sec, long long nsec) {
    pthread_mutex_init(&timer->mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&timer->cond, NULL);
    timer->timerfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);
    if (timer->timerfd == -1) {
        perror("timerfd_create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    timer->new_value.it_value.tv_sec = sec;
    timer->new_value.it_value.tv_nsec = nsec;
    timer->new_value.it_interval.tv_sec = 0;
    timer->new_value.it_interval.tv_nsec = 0;
    timer->is_running = 0;
}

// 启动定时器
void start_timer(Timer *timer) {
    pthread_mutex_lock(&timer->mutex);
    if (timerfd_settime(timer->timerfd, 0, &timer->new_value, NULL) == -1) {
        perror("timerfd_settime");
        pthread_mutex_unlock(&timer->mutex);
        return;
    }
    timer->is_running = 1;
    pthread_mutex_unlock(&timer->mutex);
}

// 停止定时器
void stop_timer(Timer *timer) {
    pthread_mutex_lock(&timer->mutex);
    struct itimerspec zero = {{0, 0}, {0, 0}};
    if (timerfd_settime(timer->timerfd, 0, &zero, NULL) == -1) {
        perror("timerfd_settime");
        pthread_mutex_unlock(&timer->mutex);
        return;
    }
    timer->is_running = 0;
    pthread_mutex_unlock(&timer->mutex);
}

// 定时器事件处理函数
void handle_timer_event(Timer *timer) {
    uint64_t exp;
    ssize_t s = read(timer->timerfd, &exp, sizeof(uint64_t));
    if (s != sizeof(uint64_t)) {
        perror("read");
    }
    // 这里可以添加定时器到期后的具体处理逻辑
    printf("Timer expired\n");
}

// 主线程函数
void* main_thread(void* arg) {
    Timer *timer = (Timer*)arg;
    int epollfd = epoll_create1(0);
    if (epollfd == -1) {
        perror("epoll_create1");
        pthread_exit(NULL);
    }
    struct epoll_event event;
    event.data.ptr = timer;
    event.events = EPOLLIN;
    if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, timer->timerfd, &event) == -1) {
        perror("epoll_ctl: timerfd");
        close(epollfd);
        pthread_exit(NULL);
    }
    struct epoll_event events[1];
    while (1) {
        int n = epoll_wait(epollfd, events, 1, -1);
        if (n == -1) {
            perror("epoll_wait");
            break;
        }
        for (int i = 0; i < n; ++i) {
            Timer *t = (Timer*)events[i].data.ptr;
            handle_timer_event(t);
        }
        // 这里可以添加主线程其他复杂计算任务
    }
    close(epollfd);
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    Timer timer;
    init_timer(&timer, 1, 0); // 1秒定时器
    pthread_t tid;
    if (pthread_create(&tid, NULL, main_thread, &timer) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    start_timer(&timer);
    pthread_join(tid, NULL);
    stop_timer(&timer);
    close(timer.timerfd);
    pthread_mutex_destroy(&timer.mutex);
    pthread_cond_destroy(&timer.cond);
    return 0;
}

星途面试题库

面试题：C语言在Linux复杂场景下的高精度定时器设计

知识考点

面试题答案

设计思路

核心代码框架