timerfd와 eventfd | Linux System Programming

QUESTION

timer event가 여러 번 밀렸을 때 read 한 번은 몇 번의 만료를 뜻하는가?

timerfd read는 event 하나가 아니라 마지막 read 이후 누적된 expiration 횟수를 uint64_t로 반환한다. event loop가 늦게 깨어도 몇 주기를 놓쳤는지 알 수 있다. eventfd도 uint64 counter를 사용해 thread/process의 wakeup credit을 fd readiness로 바꾼다.

둘 다 정확히 8 byte read/write 규칙을 가진다. stream처럼 임의 길이 buffer를 쓰거나 한 번의 readiness를 한 번의 사건으로만 해석하면 누적 정보를 잃는다.

STRUCTURE

구조 그림

그림 1. periodic timer의 만료 누적과 8-byte read

0 ms timer arm interval=100 ms

100 tick counter=1

200 tick counter=2

300 tick counter=3

400 tick counter=4

500 tick counter=5

550 read uint64 returns 5 · counter=0

event loop가 550 ms 동안 읽지 않으면 100 ms timer 만료가 counter에 누적된다. read 한 번이 누적값을 소비한다.

CALL PATH

호출 흐름

그림 2. 사용자 코드에서 관찰 가능한 결과까지

timer/event write counter 증가

fd readable counter > 0

epoll_wait 다른 I/O와 합류

read uint64 누적값 소비

policy catch-up 또는 skip

readiness 횟수와 실제 event 횟수를 분리한다. 누적 counter를 읽은 뒤 application이 모든 tick을 따라잡을지 최신 상태만 계산할지 정한다.

그림 3. 커널 내부에서 지나가는 주요 지점

hrtimer/eventfd counter/state 변경

wake_up poll wait queue

ep_poll_callback ready 연결

read 8-byte copy

counter reset/sub read mode 적용

함수 이름을 외우기 위한 그림이 아니다. 반환값, 파일 디스크립터, 메모리 매핑, 대기 큐 가운데 무엇이 다음 단계로 전달되는지 확인한다.

SOURCE COORDINATES

Linux 6.18.37 LTS 소스 위치

glibc 함수에서 멈추지 않고 syscall 구현과 커널 객체가 만나는 파일까지 내려간다. 링크는 동일한 태그의 원본 파일을 가리킨다.

파일	함수·구조체	여기서 볼 것
fs/timerfd.c	timerfd_settime(), timerfd_read()	hrtimer 만료 횟수와 8-byte 반환
fs/eventfd.c	eventfd_write(), eventfd_read()	counter 증가/소비와 semaphore mode
kernel/time/hrtimer.c	hrtimer_start_range_ns()	monotonic timer scheduling

COMPLETE PROGRAM

실행 예제 원본

아래 코드는 설명을 위해 중간 줄을 생략한 의사 코드가 아니다. 파일로 빌드해 실행할 수 있는 최소 예제다.

빌드cc -std=c17 -Wall -Wextra -O2 fd_counters.c -o fd_counters

01#define _GNU_SOURCE
02#include <poll.h>
03#include <stdint.h>
04#include <stdio.h>
05#include <sys/timerfd.h>
06#include <time.h>
07#include <unistd.h>
08
09int main(void)
10{
11    int fd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, TFD_CLOEXEC);
12    if (fd < 0)
13        return 1;
14    struct itimerspec spec = {
15        .it_value = { .tv_sec = 0, .tv_nsec = 100000000 },
16        .it_interval = { .tv_sec = 0, .tv_nsec = 100000000 }
17    };
18    if (timerfd_settime(fd, 0, &spec, NULL) < 0)
19        return 1;
20
21    struct timespec delay = { .tv_sec = 0, .tv_nsec = 550000000 };
22    nanosleep(&delay, NULL);
23    struct pollfd pfd = { .fd = fd, .events = POLLIN };
24    if (poll(&pfd, 1, 0) != 1)
25        return 1;
26
27    uint64_t expirations;
28    if (read(fd, &expirations, sizeof(expirations)) != sizeof(expirations))
29        return 1;
30    printf("expirations=%llu\n", (unsigned long long)expirations);
31    close(fd);
32    return 0;
33}

CODE NOTES

코드 조각별 설명

실제 코드 11행CLOCK_MONOTONIC

wall clock 변경과 무관한 경과 시간 timer를 만든다. calendar deadline이면 CLOCK_REALTIME과 cancel-on-set 정책을 검토한다.

실제 코드 16행.it_interval

0이 아니므로 첫 만료 뒤 같은 주기로 재무장되는 periodic timer다.

실제 코드 22행nanosleep(&delay

여러 100ms tick이 쌓이도록 550ms 동안 event를 읽지 않는다.

실제 코드 24행poll(&pfd, 1, 0)

timeout 0으로 현재 readable 여부만 확인한다. counter가 0보다 크면 POLLIN이다.

실제 코드 28행read(fd, &expirations

반드시 uint64_t 크기로 읽고 누적 expiration 수를 얻는다. read 뒤 counter는 현재까지 소비된다.

DETAILS

세부 동작

periodic tick을 모두 실행할지는 application 정책이다

expirations가 100이면 handler를 100번 실행해 catch-up할 수도 있고, 현재 monotonic time으로 상태를 한 번 재계산해 오래된 tick을 건너뛸 수도 있다. 제어 loop와 UI refresh는 보통 다른 선택을 한다.

callback 실행 시간을 interval보다 짧게 유지한다는 전제를 계측한다.

eventfd는 wakeup과 값 전달을 분리한다

eventfd write 값은 counter에 더해지고 일반 read는 누적 전체를 반환해 0으로 만든다. EFD_SEMAPHORE mode에서는 read마다 1을 반환하고 counter를 1 줄인다.

복잡한 payload는 별도 queue에 넣고 eventfd는 queue가 비지 않았다는 wakeup credit로 사용한다.

fd 기반 time은 signal handler를 피한다

POSIX timer signal 대신 timerfd를 쓰면 epoll thread가 순서와 ownership을 통제할 수 있다. signal mask와 async-signal-safe handler 부담이 줄어든다.

다만 kernel timer precision, slack, scheduler latency 때문에 exact execution 시각을 보장하는 것은 아니다.

OBJECTS

객체와 수명

대상	언제 생기고 없어지는가	확인할 값
`timerfd_ctx`	timerfd_create에서 생기고 fd close에서 해제된다	clockid, ticks, interval
`hrtimer/alarm`	settime에서 arm되고 만료/cancel에서 상태가 바뀐다	expires, interval, callback
`eventfd counter`	eventfd 생성부터 close까지 유지되고 write/read로 증감한다	count, semaphore flag, wait queue

FAILURE PATH

실패 조건과 오해하기 쉬운 부분

겉으로 보이는 현상	실제 원인 후보	확인 방법
tick 횟수 누락	readiness 1회를 expiration 1회로 해석	uint64 반환값 log
timer drift	handler 완료 뒤 상대 재arm	periodic timer 또는 absolute deadline 사용
eventfd write EAGAIN	counter가 최대값 근처	consumer 진행과 counter protocol

LAB

직접 확인

delay를 1.05초로 바꿔 expiration count가 약 10으로 누적되는지 본다.
timerfd를 epoll에 eventfd와 함께 등록해 worker wakeup과 periodic tick을 한 loop에서 처리한다.
TFD_TIMER_ABSTIME으로 monotonic 절대 deadline을 사용해 상대 재arm drift를 비교한다.

실행./fd_counters

추적strace -e trace=timerfd_create,timerfd_settime,eventfd2,poll,read,write ./fd_counters

PRIMARY REFERENCES

원문

timerfd_create(2)eventfd(2)time(7)