本章的标题叫定时器，这是行业内常用的叫法。实际上，其确切的叫法是定时器容器。二者常混谈，主要的区别：定时器容器是容器类数据结构，比如 时间轮；定时器则是容器内容纳的一个个对象，它是对定时事件的封装。

使用定时器处理非活动连接模块，实现上分为两部分：其一为定时方法与信号通知流程；其二为定时器及其容器设计、定时任务的处理。 下面我们先介绍信号通知的原理及流程。

4.1 三种定时方法实现

在游双的《Linux高性能服务器编程》中提到：

在讨论如何组织定时器之前，我们先要介绍定时的方法。定时是指在一段时间之后触发某段代码的机制，我们可以在这段代码中依次处理所有到期的定时器。换言之，定时机制是定时器得以被处理的原动力。Linux 提供了三种定时方法，它们是:

• socket选项SO_RECVTIMEO和SO_SNDTIMEO
• I/O复用系统调用的超时参数
• SIGALRM信号（本项目使用的）

socket选项SO_RECVTIMEO和SO_SNDTIMEO

socket选项SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO，它们分别用来设置socket接收数据超时时间和发送数据超时时间。因此，这两个选项仅对与数据接收和发送 相关的socket专用系统调用有效，这些系统调用包括send、sendmsg、 recv、 recvmsg、 accept 和connect。

I/O复用系统调用的超时参数

Linux下的3组I/O复用系统调用都带有超时参数，因此它们不仅能统一处理信号和I/O事件，也能统一处理定时事件。但是由于I/O复用系统调用可能在超时时间到期之前就返回（比如有I/O 事件发生），所以如果我们要利用它们来定时，就需要不断更新定时参数以反映剩余的时间。

SIGALRM信号

由alarm和setitimer函数设置的实时闹钟一旦超时，将触发SIGALRM信号。因此，我们可以利用该信号的信号处理函数来处理定时任务。但是，如果要处理多个 定时任务，我们就需要不断地触发SIGALRM信号，并在其信号处理函数中执行到期的任务。一般而言，SIGALRM信号按照固定的频率生成，即由alarm或etitimer函数设置的定时周期T保持不变。如果某个定时任务的超时时间不是T的整数倍，那么它实际被执行的时间和预期的时间将略有偏差。因此定时周期T反映了定时的精度。本项目中采用了一种简单的定时器实现——基于升序链表的定时器。

定时器通常至少要包含两个成员：一个超时时间(相对时间或者绝对时间)和一个任务回调函数。 有的时候还可能包含回调函数被执行时需要传人的参数，以及是否重启定时器等信息。如果使用链表作为容器来串联所有的定时器，则每个定时器还要包含指向下一个定时器的指针成员。进一步，如果链表是双向的，则每个定时器还需要包含指向前一个定时器的指针成员。

而本项目中，上述升序定时器链表的实际应用主要体现在处理非活动连接。服务器程序通常要定期处理非活动连接：给客户端发一个重连请求，或者关闭该连接，或者其他。Linux在内核中提供了对连接是否处于活动状态的定期检查机制（TCP的心跳机制），我们可以通过socket选项KEEPALIVE来激活它。不过使用这种方式将使得应用程序对连接的管理变得复杂，并且对于TCP的KEETALIVE来说，本身会加重网络中的拥塞程度。因此，我们可以考虑在应用层实现类似KEEPALIVE的机制，以管理所有长时间处于非活动状态的连接。

具体的，利用alarm函数周期性地触发SIGALRM信号，信号处理函数利用管道通知主循环，主循环接收到该信号后对升序链表上所有定时器进行处理，若该段时间内没有交换数据，则将该连接关闭，释放所占用的资源。

4.2 信号处理机制

每个进程之中，都有存着一个表，里面存着每种信号所代表的含义，内核通过设置表项中每一个位来标识对应的信号类型。

（图片来源：CSDN @JMW1407）

信号通知（类似于软中断）

Linux下的信号采用的异步处理机制，信号处理函数和当前进程是两条不同的执行路线。具体的，当进程收到信号时，操作系统会中断进程当前的正常流程，转而进入信号处理函数执行操作，完成后再返回中断的地方继续执行。

为避免信号竞态现象发生，信号处理期间系统不会再次触发它。所以，为确保该信号不被屏蔽太久，信号处理函数需要尽可能快地执行完毕。

一般的信号处理函数需要处理该信号对应的逻辑，当该逻辑比较复杂时，信号处理函数执行时间过长，会导致信号屏蔽太久。

这里的解决方案是，信号处理函数仅仅发送信号通知程序主循环，将信号对应的处理逻辑放在程序主循环中，由主循环执行信号对应的逻辑代码。

信号的接收

接收信号的任务是由内核代理的，当内核接收到信号后，会将其放到对应进程的信号队列中（进程PCB主要维护了一个进程描述符，里面有着pid呀，进程状态，所以信号也存在里面），同时向进程发送一个中断，使其陷入内核态。注意，此时信号还只是在队列中，对进程来说暂时是不知道有信号到来的。

信号的检测

• 进程从内核态返回到用户态前进行信号检测
• 进程在内核态中，从睡眠状态被唤醒的时候进行信号检测
• 进程陷入内核态后，有两种场景会对信号进行检测
• 当发现有新信号时，便会进入下一步，信号的处理。

信号的处理

• ( 内核 )信号处理函数是运行在用户态的，调用处理函数前，内核会将当前内核栈的内容备份拷贝到用户栈上，并且修改指令寄存器（eip）将其指向信号处理函数。
• ( 用户 )接下来进程返回到用户态中，执行相应的信号处理函数。
• ( 内核 )信号处理函数执行完成后，还需要返回内核态，检查是否还有其它信号未处理。
• ( 用户 )如果所有信号都处理完成，就会将内核栈恢复（从用户栈的备份拷贝回来），同时恢复指令寄存器（eip）将其指向中断前的运行位置，最后回到用户态继续执行进程。

信号通知逻辑

• 创建管道，其中管道写端写入信号值，管道读端通过I/O复用系统监测读事件
• 设置信号处理函数SIGALRM（时间到了触发）和SIGTERM（kill会触发，Ctrl+C）
  • 通过struct sigaction结构体和sigaction函数注册信号捕捉函数
  • 在结构体的handler参数设置信号处理函数，具体的，从管道写端写入信号的名字
• 利用I/O复用系统监听管道读端文件描述符的可读事件
• 信息值传递给主循环，主循环再根据接收到的信号值执行目标信号对应的逻辑代码

4.3 定时器、定时器容器设计原理及处理方式

定时器设计

将连接资源和定时事件等封装起来，具体包括连接资源、超时时间和回调函数，这里的回调函数指向定时事件。

定时器容器设计

将多个定时器串联组织起来统一处理，具体包括升序链表设计。

项目中的定时器容器为带头尾指针的升序双向链表，具体的为每个连接创建一个定时器，将其添加到链表中，并按照超时时间升序排列。执行定时任务时，将到期的定时器从链表中删除。

从实现上看，主要涉及双向链表的插入，删除操作，其中添加定时器的事件复杂度是O(n) ,删除定时器的事件复杂度是O(1)。

升序双向链表主要逻辑如下：

• add_timer函数，将目标定时器添加到链表中，添加时按照升序添加
  • 若当前链表中没有节点，直接插入
  • 否则，将定时器按升序插入
• adjust_timer函数，当定时任务发生变化,调整对应定时器在链表中的位置
  • 客户端在设定时间内有数据收发,则当前时刻对该定时器重新设定时间，这里只是往后延长超时时间
  • 被调整的目标定时器在尾部，或定时器新的超时值仍然小于下一个定时器的超时，不用调整
  • 否则先将定时器从链表取出，重新插入链表
• del_timer函数将超时的定时器从链表中删除
  • 常规双向链表删除结点

定时任务处理函数

该函数封装在容器类中，具体的，函数遍历升序链表容器，根据超时时间，处理对应的定时器。使用统一事件源，SIGALRM信号每次被触发，主循环中调用一次定时任务处理函数，处理链表容器中到期的定时器。

具体的逻辑如下：

• 遍历定时器升序链表容器，从头结点开始依次处理每个定时器，直到遇到尚未到期的定时器
• 若当前时间小于定时器超时时间，跳出循环，即未找到到期的定时器
• 若当前时间大于定时器超时时间，即找到了到期的定时器，执行回调函数，然后将它从链表中删除，然后继续遍历

整体流程

服务器首先创建定时器容器链表，然后用统一事件源将异常事件、读写事件和信号事件统一处理，根据不同事件的对应逻辑使用定时器。

具体的：

• 浏览器与服务器连接时，创建该连接对应的定时器，并将该定时器添加到链表上
• 处理异常事件时，执行定时事件，服务器关闭连接，从链表上移除对应定时器
• 处理定时信号时，将定时标志设置为true
• 处理读事件时，若某连接上发生读事件，将对应定时器向后移动，否则，执行定时事件
• 处理写事件时，若服务器通过某连接给浏览器发送数据，将对应定时器向后移动，否则，执行定时事件