高性能定时器3——时间轮

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#数据结构 #链表

于 2021-10-09 17:24:16 首次发布

在网络程序中我们通常要处理三种事件，网络I/O事件、信号以及定时事件，我们可以使用I/O复用系统调用（select、poll、epoll）将这三类事件进行统一处理。我们通常使用定时器来检测一个客户端的活动状态，服务器程序通常管理着众多定时事件，因此有效地组织这些定时事件，使之能在预期的时间点被触发且不影响服务器的主要逻辑，对于服务器的性能有着至关重要的影响。为此我们需要将每个定时事件分别封装为定时器，并使用某种容器类数据结构，比如：链表、排序链表、最小堆、红黑树以及时间轮等，将所有定时器串联起来，以实现对定时事件的统一管理。此处所说的定时器，确切的说应该是定时容器，定时器容器是容器类数据结构；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，定时容器是用来管理定时器的。

在本文中将主要介绍使用红黑树来实现的定时容器。

1、时间轮简介

一种简单的时间轮如下图所示：
在这里插入图片描述

轮中实线指针指向轮中的一个槽（slot）。它以恒定的速度顺时针转动，每转动一步就指向下一个槽（虚线指针指向的槽），每次转动一次称为一个滴答（tick）。一个滴答的时间称为时间轮的槽间隔si（slot interval），它实际上就是定时器的心搏时间。该时间轮共有N个槽，因此它转一圈所需的时间就是N*si。每个槽中保存了一个定时器链表，时间轮的结构与哈希链表的结构是比较相似的。槽中的每条链表上的定时器具有相同的特征：它们的定时相差N*si的整数倍。时间轮正是利用这个关系将定时器三列到不同的链表中的。

假如现在指针指向槽cs，我们要添加一个定时时间为ti的定时器，则该定时器将被插入槽ts对应链表中的：
$\% N$
比如每个槽间隔si为100ms，N为600，转动一圈经过的时间为600*100ms，也就是60s。假设现在指针指向槽cs=10；我们添加一个定时时间60s也就是60000ms的定时器，
$\% 600 = 10$
也就是转一圈重新回到cs=10时将会触发，如果此时添加的定时时间为120s，也就是转两圈重新回到该位置时触发。因此需要一个变量来保存一个定时器需要转多少圈后才触发。

我们可以与I/O复用系统调用（select、poll、epoll）和时间轮一起来实现定时容器，将时间轮的的槽间隔作为I/O复用系统调用的超时值，当系统调用返回时，就检查当前指向的槽中的定时器，遍历槽中的定时器，如果圈数为0，则说明该定时器到期，执行相应的回调函数。如果圈数大于0，将其减一。遍历完成之后，将指针指向下一个槽并继续上述操作。

时间轮使用哈希表的思想，将定时器散列到不同的链表上，这样每条链表上的定时器就相对比较少。但是对时间轮而言，要提高精度，就要使si足够小。要提高执行效率，则要求N足够大。

2、代码实现如下：

该定时容器的思路是：将槽间隔作为I/O复用系统调用（select、poll、epoll）的超时值，当系统调用返回后就调用tick函数检查当前指针指向的槽的链表中的定时器，如果定时器中保存的圈数变量等于0，说明定时器到期，执行其中的回调函数，并删除该定时器。如果圈数大于0，说明该定时器还未到期，将圈数减一。遍历完成后，将指针指向下一个槽位。继续上述操作。

时间轮定时容器的几个接口介绍：

1） tick ：在tick函数中循环查找定时器，如果定时器圈数为0，则定时器到期，执行其回调函数，然后删除该定时器。如果定时器圈数大于0，则将该变量减1。

2）addTimer:：向容器中添加一个定时器，并返回定时器的指针。

3）delTimer:：根据传入的定时器指针删除容器中的一个定时器，并且销毁资源。

4）resetTimer：重置一个定时器。

5）getMinExpire：获取槽间隔；

代码如下：

timer_common.hpp

#ifndef _LIB_SRC_TIMER_COMMON_H
#define _LIB_SRC_TIMER_COMMON_H

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

// 获取时间戳 单位：毫秒
time_t getMSec()
{
   
   
    struct timeval tv;
    gettimeofday(&tv, NULL);
    return tv.tv_sec * 1000 + tv.tv_usec / 1000;
}

// 定时器数据结构的定义
template <typename _User_Data>
class Timer
{
   
   
public:
    Timer() : _user_data(nullptr), _cb_func(nullptr) {
   
   };
    Timer(int msec) : _user_data(nullptr), _cb_func(nullptr)
    {
   
   
        this->_expire = getMSec() + msec;
    }

    ~Timer()
    {
   
   

    }

    void setTimeout(time_t timeout)
    {
   
   
        this->_expire = getMSec() + timeout;
    }

    time_t getExpire()
    {
   
   
        return _expire;
    }

    void setUserData(_User_Data *userData)
    {
   
   
        this->_user_data = userData;
    }

    void handleTimeOut()
    {
   
   
        if(_cb_func)
        {
   
   
            _cb_func(_user_data);
        }
        
    }

    using TimeOutCbFunc = void (*)(_User_Data *);
    void setCallBack(TimeOutCbFunc callBack)
    {
   
   
        this->_cb_func = callBack;
    }

private:
    time_t _expire;                    // 定时器生效的绝对时间            
    _User_Data *_user_data;            // 用户数据
    TimeOutCbFunc _cb_func;           // 超时时的回调函数
};



template <typename _UData>
class ITimerContainer 
{
   
   
public:
    ITimerContainer() = default;
    virtual ~ITimerContainer() = default;

public:
    virtual void tick() = 0;               
    virtual Timer<_UData> *addTimer(time_t timeout) = 0;
    virtual void delTimer(Timer<_UData> *timer) = 0;
    virtual void resetTimer(Timer<_UData> *timer, time_t timeout) = 0;
    virtual int getMinExpire() = 0;
};


#endif

time_wheel_timer.hpp

#ifndef _LIB_SRC_TIME_WHEEL_TIMER_H_
#define _LIB_SRC_TIME_WHEEL_TIMER_H_

#include "timer_common.hpp"
#include <array>
#include <list>
#include <iostream>

/*
 * @Author: MGH
 * @Date: 2021-09-29 12:57:45
 * @Last Modified by: Author
 * @Last Modified time: 2021-09-29 12:57:45
 * @Description: Time Wheel Timer
*/

template <typename _UData>
class TimerNode
{
   
   
public:
    TimerNode() = default;
    ~TimerNode() = default;

public:
    void setTimeSlot(int slot)
    {
   
   
        this->_time_slot = slot;
    }

    int getTimeSlot()
    {
   
   
        return this->_time_slot;
    }

    void setRotation(int rotation)
    {
   
   
        this->_rotation = rotation;
    }

    int getRotation()
    {
   
   
        return this->_rotation;
    }

public