解惑“高深”的Kafka时间轮原理

【摘要】 Kafka时间轮是Kafka实现高效的延时任务的基础，它模拟了现实生活中的钟表对时间的表示方式，同时，时间轮的方式并不仅限于Kafka，它是一种通用的时间表示方式，本文主要介绍Kafka中的时间轮原理。

Kafka中存在一些定时任务(DelayedOperation)，如DelayedFetch、DelayedProduce、DelayedHeartbeat等，在Kafka中，定时任务的添加、轮转、执行、消亡等是通过时间轮来实现的。(时间轮并不是Kafka独有的设计，而是一种通用的实现方式，Netty中也有用到时间轮的方式)

1. 时间轮是什么

参考网上的两张图（摘自

 https://blog.csdn.net/u013256816/article/details/80697456）

这两张图就比较清楚的说明了Kafka时间轮的结构了：类似现实中的钟表，由多个环形数组组成，每个环形数组包含20个时间单位，表示一个时间维度（一轮），如：第一层时间轮，数组中的每个元素代表1ms，一圈就是20ms，当延迟时间大于20ms时，就“进位”到第二层时间轮，第二层中，每“一格”表示20ms，依此类推…

对于一个延迟任务，大体包含三个过程：进入时间轮、降级和到期执行。

• 进入时间轮

1. 根据延迟时间计算对应的时间轮“层次”（如钟表中的“小时级”还是“分钟级”还是“秒级”，实际上是一个不断“升级”的过程，直到找到合适的“层次”）

2. 计算在该轮中的位置，并插入该位置（每个bucket是一个双向链表，可能包含多个延迟任务，这也是时间轮提高效率的一大原因，后面会提到）

3. 若该bucket是首次插入，需要将该bucket加入DelayQueue中（DelayQueue的引入是为了解决“空推进”，后面会提到）

• 降级

1. 当时间“推进”到某个bucket时，说明该bucket中的任务在当前时间轮中的时间已经走完，需要进行“降级”，即进入更小粒度的时间轮中，reinsert的过程和进入时间轮是类似的

• 到期执行

1. 在reinsert的过程中，若发现已经到期，则执行这些任务

整体过程大致如下：

2. 时间的“推进”

一种直观的想法是，像现实中的钟表一样，“一格一格”地走，这样就需要有一个线程一直不停的执行，而大多数情况下，时间轮中的bucket大部分是空的，指针的“推进”就没有实质作用，因此，为了减少这种“空推进”，Kafka引入了DelayQueue，以bucket为单位入队，每当有bucket到期，即queue.poll能拿到结果时，才进行时间的“推进”，减少了 ExpiredOperationReaper 线程空转的开销。

3. 为什么要用时间轮

用到延迟任务时，比较直接的想法是DelayQueue、ScheduledThreadPoolExecutor 这些，而时间轮相比之下，最大的优势是在时间复杂度上：

时间复杂度对比：

因此，理论上，当任务较多时，TimingWheel的时间性能优势会更明显

总结一下Kafka时间轮性能高的几个主要原因：

（1）时间轮的结构+双向列表bucket，使得插入操作可以达到O(1)的时间复杂度

（2）Bucket的设计让多个任务“合并”，使得同一个bucket的多次插入只需要在delayQueue中入队一次，同时减少了delayQueue中元素数量，堆的深度也减小，delayqueue的插入和弹出操作开销也更小。