linux网络编程二十三:高性能定时器之时间堆

本文介绍了如何利用最小堆设计高性能定时器,通过在心跳间隔中处理超时时间最小的定时器来保证精度。最小堆允许快速插入和删除元素,确保了定时器操作的高效性。添加、删除和执行定时器的时间复杂度分别为O(logn)、O(1)和O(1)。

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前面我们讨论的定时方案都是以固定的频率调用心跳函数tick,并在其中依次检测到期的定时器,然后执行到期定时器上的回调函数。

设计定时器的另外一种思路是:将所有定时器中超时时间最小的一个作为心跳间隔。这样,一旦心跳函数tick被调用,超时时间最小的定时器必然到期,我们就可以在tick函数中处理该定时器。然后再次从剩余的定时器中找出超时时间最小的一个,并将这段最小时间设置为下一次心跳间隔。如此反复,就实现了较为精确的定时。

最小堆很适合处理这种定时方案,最小堆是指每个节点的值都小于或等于其子节点的值的完全二叉树。

下图所示了一个具有6个元素的最小堆:


树的基本操作是插入节点和删除节点。对最小堆而言,它们都很简单。为了将一个元素X插入最小堆,我们可以在树的下一个空闲位置创建一个空穴。如果X可以放在空穴中而不被破坏堆的序,则插入完成。否则就执行上虑操作,即交换空穴和它的父节点上的元素。不断执行上述过程,直到X可以被放入空穴,则插入操作完成。

最小堆的删除操作是指删除其根节点上的元素,并且不破坏堆序性质。执行删除操作时,我们需要先在根节点处创建一个空穴;由于堆现在少了一个元素,因此我们可以把堆的最后一个元素X移动到该堆的某个地方。如果X可以被放入空穴,则删除操作完成;否则就执行下虑操作,即交换空穴和它的两个子节点中的较小者。不断进行上述操作,直到X可以被放入空穴,则删除操作完成。

由于最小堆是一种完全二叉树,所以我们可以用数组来组织其中的元素。

下图所示的是最小堆的数组表示:


对于数组中的任意一个位置i上的元素,其左子节点在位置2i+1上,其右子节点在2i+2上,其父节点则在[(i-1)/2](i>0)上。与用链表来表示堆相比,用数组表示堆不仅节省空间,而且更容易实现堆的插入、删除操作。

假设我们已经有一个包含N个元素的数组,现在要把它初始化为一个最小堆。那么最简单的方法是:初始化一个空堆,然后将数组中的每个元素插入该堆中。不过这样做的效率偏低。实际上,我们只需要对数组中的第[(N-1)/2]到0个元素执行一虑操作,即可确保该数组构成一个最小堆。

这是因为对包含N个元素的完全二叉树而言,它具有[(N-1)/2]个非叶子节点,这些非叶子节点正是该完全二叉树的第0个到第[(N-1)/2]个节点。
我们只要确保这些非叶子节点构成的子节点都具有堆序性质,整个树就具有堆序性质。

对时间堆而言,添加一个定时器的时间复杂度是O(lgn),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(1),因此,时间堆的效率是很高的。

1. 下面我们用最小堆实现一个定时器,其中最小堆用数组来表示。

//time_heap.h
#ifndef __TIME_HEAD__
#define __TIME_HEAD__

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


#define BUFFER_SIZE 64

class heap_timer;

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

//定时器
class heap_timer
{
public:
    heap_timer(int delay)
    {
        expire = time(NULL) + delay;
    }

public:
    time_t expire;                  //定时器生效的绝对时间
    void (*cb_func)(client_data*);  //定时器的回调函数
    client_data *user_data;         //客户端数据
};

//时间堆
class time_heap
{
public:
    //构造之一:初始化一个大小为cap的空堆
    time_heap(int cap);

    //构造之二:用已用数组来初始化堆
    time_heap(heap_timer **init_array, int size, int capacity);
    
    //销毁时间堆
    ~time_heap();

    //添加定时器timer
    int add_timer(heap_timer *timer);
    
    //删除定时器timer
    void del_timer(heap_timer *timer);

    //获得堆顶部的定时器
    heap_timer* top() const;

    //删除堆顶部的定时器
    void pop_timer();

    //心跳函数
    void tick();

    //堆是否为空
    bool empty()const { return cur_size == 0; }

private:
    //最小堆的下虑操作,
    //确保堆数组中认第hole个节点作为根的子树拥有最小堆性质
    void percolate_down(int hole);
    
    //将堆数组容量扩大1倍
    void resize();
private:
    heap_timer **array;     //堆数组
    int capacity;           //堆数组的空量
    int cur_size;           //堆数组当前包含元素个数

};

#endif

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