linux网络编程二十二：高性能定时器之时间轮

最新推荐文章于 2025-06-27 17:24:05 发布

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#linux #网络编程 #高性能 #定时器 #时间轮

本文探讨了Linux网络编程中如何通过时间轮解决基于排序链表的定时器效率问题。时间轮利用哈希思想将定时器分散到不同链表，降低插入操作的复杂度，提供高效定时器管理。文章介绍了时间轮的工作原理，包括时间间隔、槽数量与定时精度的关系，并分析了其时间复杂度。同时，提到了多轮时间轮的优化方案，进一步提升执行效率。

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之前我们提到，基于排序链表的定时器存在一个问题：添加定时器的效率偏低。下面我们讨论的时间轮解决了这个问题。

如图，这是一种简单的时间轮：

轮中的实线指针指向轮子上的一个槽（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，每次转动称为一个滴答（tick）。

一个滴答的时间称为是间轮的槽间隔si（slot interval），它实际上就是心跳时间。

该轮共有N个槽，因此它运转一周的时间是N×si 。每个槽指向一条定时器链表，每条链表上的定时器具有相同的特性：它们的定时时间相差N×si的整数倍。时间轮正是利用这个关系将定时器散列到不同的链表中。

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ts（timer slot）对应的链表中：ts = (cs + (ti / si)) %N

基于排序链表的定时器使用唯一的一条链表来管理所有定时器，所以插入操作的效率随着定时器数目的增多而降低。而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数目都将明显减少，插入操作的效率受定时器数目的影响较少。

很显然，对时间轮而言，要提高定时精度，就要使si值足够小；要提高执行效率，则要求N值足够大。

下面我们实现一个简单的时间轮，只实现一个轮子。复杂的时间轮可以有多个，不同的轮子有不同粒度。相邻的两个轮子，精度高的转一圈，精度低的仅往前移动一槽，就像水表一样。

对时间轮而言，添加一个定时器的时间复杂度是O（1），删除一个定时器的时间复杂度是O（1），执行一个定时器的时间复杂度是O（n）。

但实际上执行一个定时器的效率要比O（n）高得多，因为时间轮将所有的定时器散列到了不同的链表上，时间轮的槽越多，等于散列表的入口越多，从而每条链表上的定时器数量越少。此外，我们的代码仅用了一个时间轮，当使用多个轮子来实现时，它的时间复杂度将接近O（1）。

关于linux下定时器的实现方式对比，大家可以看看这篇文章，写的挺不错的：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-timers/

1. 代码：

//tw_timer.h
#ifndef __TIME_WHEEL__
#define __TIME_WHEEL__

#include <time.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>

#define BUFFER_SIZE 64

class tw_timer;

//客户端数据
struct client_data
{
    sockaddr_in address;
    int sockfd;
    char buf[BUFFER_SIZE];
    tw_timer *timer;
};

//定时器
class tw_timer
{
public:
    tw_timer(int rot, int ts)
        :next(NULL), prev(NULL), rotation(rot), time_slot(ts) {}

public:
    int rotation;                       //定时器在时间轮上转多少圈后生效
    int time_slot;                      //定时器属于时间轮上的哪个槽

    void (*cb_func)(client_data*);      //定时器的回调函数
    client_data *user_data;             //客户端数据
    
    tw_timer *prev;                     //指向上一个定时器
    tw_timer *next;                     //指向下一个定时器
};

//时间轮
class time_wheel
{
public:
    time_wheel();
    ~time_wheel();

    tw_timer* add_timer(int timeout);   //根据定时值创建定时器，并插入合适的位置
    void del_timer(tw_timer *timer);    //删除目标定时器
    void tick();                //时间到后调用该函数，时间轮向前滚动一个槽间隔
    
private:
    static const int N = 60;    //时间轮上槽的数目
    static const int TI = 1;    //槽间隔时间，即每1秒时间轮转动一次

    int cur_slot;               //时间轮的当前槽
    tw_timer *slots[N];