timefd 到底是什么

你可以把timefd理解成“把定时器变成文件描述符（fd）的工具”—— Linux 系统把定时器功能包装成了一个和 “文件、网络套接字” 一样的 fd，你可以像操作文件一样操作定时器。

为什么要用它？新手可能用过alarm()这类简单定时器，但它们有坑：比如依赖信号处理（容易和其他信号冲突）、多线程下同步麻烦。而timefd把定时器变成 fd 后，能和epoll/poll（Linux 处理多 IO 事件的工具）结合，既不用处理复杂的信号，又能把 “定时器事件” 和 “网络 IO、文件 IO 事件” 放在一起管理，特别适合写服务程序。

核心特点：

1. 定时器超时后，这个 fd 会变成 “可读” 状态，用read()就能读到超时信息；
2. 支持两种定时器：一次性（比如 3 秒后响一次）、周期性（比如每 2 秒响一次）。

timefd 核心函数

使用timefd需要先包含头文件<sys/timerfd.h>，编译时部分 Linux 版本需要加-lrt（新版一般不用）。下面逐个讲核心函数，参数、返回值都用大白话解释，不用记复杂表格。

1. 创建定时器 fd：timerfd_create

int timerfd_create(int clockid, int flags);

作用：创建一个和定时器绑定的 fd，后续所有定时器操作都靠这个 fd 完成。

• 参数 1：clockid（时钟类型）新手只需要选CLOCK_MONOTONIC！它代表 “系统开机后流逝的时间”，只会一直增加，哪怕手动改系统时间（比如把时间调回 1 小时前），这个时间也不会变，定时器不会乱。另一个值CLOCK_REALTIME是 “系统当前时间”，改系统时间会导致定时器出错，新手别用。

• 参数 2：flags（标志位）新手推荐写TFD_NONBLOCK | TFD_CLOEXEC：

  • TFD_NONBLOCK：把 fd 设为 “非阻塞”（读不到数据时不会卡主程序）；
  • TFD_CLOEXEC：程序启动新进程时自动关闭这个 fd，避免 fd 泄漏。如果你想先简单理解，也可以设为 0（阻塞模式）。

• 返回值：

  • 成功：返回一个整数（就是这个定时器的 fd 编号，比如 3、4）；
  • 失败：返回 -1，系统会设置errno（可以用strerror(errno)看具体错在哪）。

2. 设置定时器规则：timerfd_settime

int timerfd_settime(int fd, int flags, const struct itimerspec *new_value, struct itimerspec *old_value);

作用：告诉系统 “这个定时器什么时候超时、要不要重复”。

• 参数 1：fd就是timerfd_create返回的定时器 fd，指定要设置哪个定时器。

• 参数 2：flags新手先设为 0！代表 “超时时间是相对时间”（比如 “3 秒后超时”）；如果设为TFD_TIMER_ABSTIME，就是 “绝对时间”（比如 “开机后 100 秒超时”），新手暂时用不上。

• 参数 3：new_value（核心！设置超时规则）这是一个结构体，新手不用记复杂定义，只需要知道它管两个事：

  struct itimerspec { struct timespec it_interval; // 定时器的重复间隔（多久重复一次） struct timespec it_value; // 定时器第一次超时的时间 }; // 其中 timespec 结构体只需要关注这两个值： struct timespec { time_t tv_sec; // 秒（比如 3 就是 3 秒） long tv_nsec; // 纳秒（1秒=10亿纳秒，新手直接设 0 就行） };

  • 一次性定时器：it_interval.tv_sec = 0（不重复），it_value.tv_sec = 3（3 秒后第一次超时）；
  • 周期性定时器：it_interval.tv_sec = 2（每 2 秒重复），it_value.tv_sec = 1（1 秒后第一次超时）。

• 参数 4：old_value新手直接设为 NULL！它的作用是 “返回之前的定时器规则”，暂时用不上。

• 返回值：

  • 成功：返回 0；
  • 失败：返回 -1，用strerror(errno)能看到错误原因（比如 fd 无效）。

3. 查看定时器剩余时间：timerfd_gettime

int timerfd_gettime(int fd, struct itimerspec *curr_value);

作用：查一下这个定时器还剩多久才会超时。

• 参数 1：fd目标定时器的 fd；
• 参数 2：curr_value传一个空的itimerspec结构体就行，调用后系统会把 “剩余时间” 填到这个结构体里（比如curr_value->it_value.tv_sec就是剩余的秒数）；
• 返回值：
  • 成功：返回 0；
  • 失败：返回 -1。

4. 读取定时器超时事件：read（普通的 read 函数）

新手重点：定时器超时后，它的 fd 会变成 “可读” 状态，必须用read()读取，否则 fd 会一直处于 “可读” 状态，反复触发事件！

函数原型（就是普通的 read，不用记新函数）：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

• 参数 1：fd：定时器的 fd；
• 参数 2：buf：要存一个uint64_t类型的变量（8 字节），这个变量会记录 “累计超时次数”（比如定时器该超时 2 次但你没读，这里就会是 2）；
• 参数 3：count：必须填 8（因为uint64_t是 8 字节）；
• 返回值：
  • 成功：返回 8（表示读到了 8 字节的超时次数）；
  • 失败：返回 -1（比如没超时就读，非阻塞模式下会返回 -1，且errno=EAGAIN）。

样例

样例 1：最简单的一次性定时器（阻塞版）

新手先跑这个，理解核心流程，代码注释写满，复制就能编译运行。

#include <iostream> // timefd 必需的头文件 #include <sys/timerfd.h> #include <unistd.h> #include <cstdint> // 用于 uint64_t（存超时次数） #include <cerrno> // 用于 errno（错误码） #include <cstring> // 用于 strerror（转错误码为文字） #include <cstdlib> // 用于 exit（退出程序） // 新手友好的错误处理：出错时打印信息并退出 void error_exit(const char *msg) { std::cerr << "错误：" << msg << " - " << strerror(errno) << std::endl; exit(1); } int main() { // 步骤1：创建定时器fd（阻塞模式，新手先不用非阻塞） int tfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0); if (tfd == -1) { error_exit("创建定时器失败"); } std::cout << "步骤1：定时器fd创建成功，fd号：" << tfd << std::endl; // 步骤2：设置定时器规则：3秒后超时，一次性（不重复） struct itimerspec timer_rule; // 第一次超时时间：3秒，0纳秒 timer_rule.it_value.tv_sec = 3; timer_rule.it_value.tv_nsec = 0; // 重复间隔：0秒（一次性，不重复） timer_rule.it_interval.tv_sec = 0; timer_rule.it_interval.tv_nsec = 0; // 调用 timerfd_settime 设置规则 if (timerfd_settime(tfd, 0, &timer_rule, NULL) == -1) { error_exit("设置定时器规则失败"); } std::cout << "步骤2：定时器设置完成，3秒后超时..." << std::endl; // 步骤3：等待定时器超时并读取事件（阻塞模式下，read会等直到超时） uint64_t timeout_count = 0; // 存超时次数 ssize_t read_ret = read(tfd, &timeout_count, 8); // 第三个参数必须是8 if (read_ret == -1) { error_exit("读取定时器超时事件失败"); } std::cout << "步骤3：定时器超时！累计超时次数：" << timeout_count << std::endl; // 步骤4：查看定时器剩余时间（超时后剩余时间应该是0） struct itimerspec remain_time; if (timerfd_gettime(tfd, &remain_time) == -1) { error_exit("获取剩余时间失败"); } std::cout << "步骤4：定时器剩余超时时间：" << remain_time.it_value.tv_sec << "秒" << std::endl; // 步骤5：关闭fd（新手别忘！用完必须关） close(tfd); std::cout << "步骤5：定时器fd已关闭" << std::endl; return 0; }

编译运行命令

g++ -std=c++11 timerfd_demo1.cpp -o timerfd_demo1 -lrt ./timerfd_demo1

运行效果：

步骤1：定时器fd创建成功，fd号：3 步骤2：定时器设置完成，3秒后超时... （等待3秒） 步骤3：定时器超时！累计超时次数：1 步骤4：定时器剩余超时时间：0秒 步骤5：定时器fd已关闭

样例 2：实用的周期性定时器（非阻塞 + poll）

实际开发中不会用阻塞 read，而是用 poll 监听，主线程还能做其他事。

#include <iostream> #include <sys/timerfd.h> #include <sys/poll.h> // poll 头文件（监听fd事件） #include <unistd.h> #include <cstdint> #include <cerrno> #include <cstring> #include <cstdlib> void error_exit(const char *msg) { std::cerr << "错误：" << msg << " - " << strerror(errno) << std::endl; exit(1); } // 新手友好：打印当前时间（毫秒），方便看效果 uint64_t get_ms() { struct timespec ts; clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts); return ts.tv_sec * 1000 + ts.tv_nsec / 1000000; } int main() { // 步骤1：创建非阻塞的定时器fd int tfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, TFD_NONBLOCK | TFD_CLOEXEC); if (tfd == -1) error_exit("创建定时器失败"); std::cout << "[" << get_ms() << "] 定时器fd创建成功" << std::endl; // 步骤2：设置周期性定时器：1秒后首次超时，每2秒重复一次 struct itimerspec timer_rule; timer_rule.it_value.tv_sec = 1; // 1秒后第一次超时 timer_rule.it_value.tv_nsec = 0; timer_rule.it_interval.tv_sec = 2; // 每2秒重复一次 timer_rule.it_interval.tv_nsec = 0; if (timerfd_settime(tfd, 0, &timer_rule, NULL) == -1) { error_exit("设置定时器规则失败"); } std::cout << "[" << get_ms() << "] 周期性定时器设置完成：1秒后首次超时，每2秒重复" << std::endl; // 步骤3：初始化poll，监听定时器fd的“可读”事件 struct pollfd pfd; pfd.fd = tfd; // 要监听的fd是定时器fd pfd.events = POLLIN; // 监听“可读”事件（定时器超时后fd可读） pfd.revents = 0; // 初始化，不用改 // 步骤4：非阻塞事件循环（主线程可以做其他事） int count = 0; // 记录超时次数，到3次就退出 while (true) { // poll监听：每100毫秒检查一次（非阻塞） int poll_ret = poll(&pfd, 1, 100); if (poll_ret == -1) { if (errno == EINTR) continue; // 信号中断，继续循环 error_exit("poll监听失败"); } // 情况1：poll超时（100ms内没事件），主线程做其他事 if (poll_ret == 0) { std::cout << "[" << get_ms() << "] 主线程空闲中...（定时器未超时）" << std::endl; continue; } // 情况2：定时器fd可读（超时了） if (pfd.revents & POLLIN) { uint64_t timeout_count = 0; ssize_t read_ret = read(tfd, &timeout_count, 8); if (read_ret != 8) error_exit("读取超时事件失败"); std::cout << "[" << get_ms() << "] 定时器超时！累计超时次数：" << timeout_count << std::endl; count++; if (count >= 3) { // 超时3次后退出 std::cout << "[" << get_ms() << "] 超时3次，退出程序" << std::endl; break; } } } // 步骤5：关闭fd close(tfd); return 0; }

编译运行命令：

g++ -std=c++11 timerfd_demo2.cpp -o timerfd_demo2 -lrt ./timerfd_demo2

运行效果：

[123456] 定时器fd创建成功 [123457] 周期性定时器设置完成：1秒后首次超时，每2秒重复 [123557] 主线程空闲中...（定时器未超时） [123657] 主线程空闲中...（定时器未超时） [123757] 定时器超时！累计超时次数：1 [123857] 主线程空闲中...（定时器未超时） [123957] 主线程空闲中...（定时器未超时） [124057] 定时器超时！累计超时次数：1 [124157] 主线程空闲中...（定时器未超时） [124257] 主线程空闲中...（定时器未超时） [124357] 定时器超时！累计超时次数：1 [124357] 超时3次，退出程序