如何实现一个定时器?看这一篇就够了

程序IT圈

共 21171字,需浏览 43分钟

 · 2021-03-31

本文主要介绍定时器作用,实现定时器数据结构选取,并详细介绍了跳表红黑树时间轮实现定时器的思路和方法。

定时器作用

定时器在各种场景都需要用到,比如游戏Buff实现,Redis中的过期任务Linux中的定时任务等等。顾名思义,定时器的主要用途是执行定时任务

定时器数据结构选取

定时器数据结构要求

  • 需要快速找到到期任务,因此,应该具有有序性
  • 过期执行插入(添加定时任务)和删除(取消定时任务)的频率比较高,三种操作效率必须保证

以下为各数据结构时间复杂度表现

有序链表:插入O(n),删除O(1),过期expire执行O(1)

最小堆:插入O(logn),删除O(logn),过期expire执行O(1)

红黑树:插入O(logn),删除O(logn),过期expire执行O(logn)

哈希表+链表(时间轮):插入O(1),删除O(1),过期expire平均执行O(1)(最坏为O(n)

不同开源框架定时器实现方式不一,如,libuv采用最小堆来实现,nginx采用红黑树实现,linux内核和skynet采用时间轮算法实现等等。

定时器接口封装

作为定时器,需要封装以下4类接口给用户使用:

  • 创建定时器init_timer
  • 添加定时任务add_timer
  • 取消定时任务cancel_timer
  • 执行到期任务expire_timer

其中执行到期任务有两种工作方式:

  1. 轮询: 每隔一个时间片去查找哪些任务到期
  2. 睡眠/唤醒:不停查找deadline最近任务,到期执行,否则sleep;sleep期间,任务有改变,线程会被唤醒

接下来将介绍分别用跳表红黑树时间轮来实现定时器。

跳表实现定时器

跳表简介

跳表是一种动态的数据结构,采用空间换时间的思想,在有序链表基础上加入多级索引,通过索引进行二分快速查找,支持快速删除、插入和查找操作(平均时间复杂度为O(logN),最坏为O(N)),效率可与平衡树媲美,实现比其简单。

下面通过一张图来简单说明跳表操作。跳表的最底层即为基本的有序链表,存储所有的数据,可理解为数据层;往上则为索引层,理想状态下,上一层为下一层节点数的一半。比如,要查找下图的数据为11的节点,从begin''出发,向走,如果下一个节点大于11则往走,直到找到目标节点。可见,跳表要比原始链表少比较一些节点,但前提是需要花更多空间存储索引节点。

image-20210323182236910

跳表实现定时器

  • 跳表查找,插入,删除(任意节点、头节点)的时间复杂度大概率趋向于O(logn)

  • 过期任务查找,只需要跟第一个节点比较,因其第一个节点即为最小节点

学会吸取开源框架中优秀数据结构和代码思想,直接采用redis跳表结构的实现,取出所需部分,用于实现定时器。如下:

跳表数据结构

跳表节点与跳表结构

/*skiplist.h*/
#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32
#define ZSKIPPLIST 0.25

typedef struct zskiplistNode zskiplistNode;
typedef void (*handler_pt) (zskiplistNode * node);
// 跳表节点
struct zskiplistNode {
  unsigned long score;  /*用于排序的值*/
  handler_pt handler;  /*处理函数*/
  struct zskiplistLevel {
    struct zskiplistNode **forward;
  }level[];
};
// 跳表结构
typedef struct zskiplist {
  struct zskiplistNode * header;
  int length;
  int level;  /*跳表层数*/
}zskiplist;


跳表接口申明

具体接口实现细节请移步redis源码。

/*skiplist.h*/
/*创建跳表,初始化*/
zskiplist *zslCreate(void);
/*删除跳,表释放资源*/
void zslFree(zskiplist *zsl);
/*插入节点*/
zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, unsigned long score, handler_pt func);
/*删除头节点*/
void zsklDeleteHead(zskiplist *zsl);
/*删除任意节点*/
void zslDelete(zskiplist *zsl, zskplistNode *zn);
/*打印,调试*/
void zslPrint(zskiplist *zsl);

定时器接口实现

主要介绍四个接口实现:初始化定时器,添加定时任务,删除/取消定时任务,处理定时任务

// test_user.c  封装给用户使用的接口
static uint32_t
current_time() 
{
 uint32_t t;
    struct timespec ti;
    clock_getttime(CLOCK_MONOTONIC, &ti);
    t = (uint32_t)ti.tv_sec * 1000;
    t += ti.tv_sec / 1000000;
}
zskiplist *init_timer() {
    // 初始化定时器
    return zslCreate();
}
zskiplistNode *add_timer(zskiplist *zsl, uint32_t msec, handler_pt func) {
    // 添加定时任务
    msec += current_time();
    return zslInsert(zsl, msec, func);
}
void cancel_timer(zskiplist *zsl, zskiplistNode *zn) {
    // 删除/取消定时任务
    zslDelete(zsl, zn);
}
void expire_timer(zskiplist *zsl){
    // 处理定时任务
    zskiplistNode *x;
    uint32_t now = current_time();
    for (;;) {
        x = zslMin(zsl);  // 最近节点
        if (!x) break;
        if (x->score > now)  break;  // 时间未到
        x->handler(x);  // 执行相关定时任务
        zslDeleteHead(zsl);  // 执行完删除
    }
}

红黑树实现定时器

红黑树

红黑树是一种自平衡二叉查找树,即,插入和删除操作如果破坏树的平衡时,需要重新调整达到平衡状态。因此,是一种比较难的数据结构。

红黑树五条性质

  • 每个节点要么是红色,要么是黑色
  • 根节点是黑色
  • 每个叶子结点是黑色
  • 每个红节点的两个子节点一定是黑色
  • 任意一节点到每个叶子节点的路径都含相同数目的黑结点

弄懂红黑树如何调整树的平衡,保证满足这5条性质,是比较麻烦,需要耐心的去推导一遍,此处不展开。

红黑树实现定时器

AVL 树平衡要求太高,维护平衡操作过多,较复杂;红黑树只需维护一个黑高度,效率较高

红黑树查找删除添加时间复杂度为:O(log(n))

吸取开源框架中优秀数据结构和代码思想,选用nginx中的红黑树结构

红黑树数据结构

红黑树节点与红黑树

// rbtree.h  红黑树数据结构以及相关接口,具体接口实现同上
#ifndef _NGX_RBTREE_H_INCLUDE_
#define _NGX_RBTREE_H_INCLUDE_

typedef unsigned int ngx_rbtree_key_t;
typedef unsigned int ngx_uint_t;
typedef int ngx_rbtree_key_int_t;

// 红黑树节点
typedef struct ngx_rbtree_node_s  ngx_rbtree_node_t;
struct ngx_rbtree_node_s {
    ngx_rbtree_key_t key;
    ngx_rbtree_node_t *left;
    ngx_rbtree_node_t *right;
    ngx_rbtree_node_t *parent;
    u_char    color;  // 节点颜色
    u_char    data;  // 节点数据
};
// 插入函数指针
typedef void (*ngx_rbtree_insert_pt) (ngx_rbtree_node_t *root,
     ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel)
;
// 红黑树
typedef struct ngx_rbtree_s ngx_rbtree_t;
struct ngx_rbtree_s {
    ngx_rbtree_node_t  *root;
    ngx_rbtree_node_t  *sentinel;
    ngx_rbtree_insert_pt insert;
};

红黑树接口声明

// 红黑树初始化
#define ngx_rbtree_init(tree, s, i)       \
 ngx_rbtree_sentinel_init(s);      \
 (tree)->root = s;        \
 (tree)->sentinel = s;       \
 (tree)->insert = i;        

// 插入操作
void ngx_rbtree_insert(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);
// 删除操作
void ngx_rbtree_delete(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);
// 插入value
void ngx_rbtree_insert_value(ngx_rbtree_node_t *root, ngx_rbtree_node_t *node,
                            ngx_rbtree_node_t *sentinel)
;
// 插入timer
void ngx_rbtree_insert_timer_value(ngx_rbtree_node_t *root,
                                  ngx_rbtree_node_t *node,
                                  ngx_rbtree_node_t *sentinel)
;
// 获取下一个节点
ngx_rbtree_node_t *ngx_rbtree_next(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);
#define ngx_rbt_red(node)    ((node)->color = 1)
#define ngx_rbt_black(node)    ((node)->color = 0)
#define ngx_rbt_is_red(node)   ((node)->color)
#define ngx_rbt_is_black(node)   (!ngx_rbt_is_red(node))
#define ngx_rbt_copy_color(n1, n2)  (n1->color = n2->color)
#define ngx_rbtree_sentinel_init(node)  ngx_rbt_black(node)
// 找到最小值,一直往左走即可
static inline ngx_rbtree_node_t *
ngx_rbtree_min(ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel)
{
    while (node->left != sentinel){
        node = node->left;
    }
    return node;
}

定时器接口实现

// test_user.c  封装给用户使用的接口
ngx_rbtree_t     timer;
static ngx_rbtree_node_t   sentinel;
typedef struct timer_entry_s timer_entry_t;
typedef void (*timer_handler_pt)(timer_entry_t *ev);

struct timer_entry_s {
   ngx_rbtree_node_t timer;
    timer_handler_pt  handler;
};
// 初始化
int init_timer() {
    ngx_rbtree_init(&timer, &sentinel, ngx_rbtree_insert_timer_value);
    return 0;
}
// 添加定时任务
void add_timer(timer_entry_t *te, uint32_t msec) {
    msec += current_time();
    te->timer.key = msec;
    ngx_rbtree_insert(&timer, &te->timer);
}
// 取消定时
void cancel_timer(timer_entry_t *te) {
    ngx_rbtree_delete(&timer, &te->timer);
}
// 执行到期任务
void expire_timer() {
    timer_entry_t *te;
    ngx_rbtree_node_t *sentinel, *root, *node;
    sentinel = timer.sentinel;
    uint32_t now = current_time();
    for(;;){
        root = timer.root;
        if (root == sentinel) break;
        if (node->key > now) break;
        te = (timer_entry_t *) ((char *) node - offsetof(timer_entry_t, timer));
        te->handler(te);
        ngx_rbtree_delete(&timer, &te->timer);
        free(te);
    }
}

以上,为红黑树跳表实现的定时器多线程环境下加锁粒度比较大,高并发场景下效率不高,而时间轮适合高并发场景,如下。

时间轮实现定时器

时间轮

可以用于高效的执行大量定时任务,如下为分层时间轮示意图:

timewheel

时间轮可参考时钟进行理解,秒针(Seconds wheel)转一圈,则分针(Minutes wheel)走一格,分针(Minutes wheel)转一圈,则时针(Hours wheel)走一格。随着,时间的流逝,任务不断从上层流下下一层,最终到达秒针轮上,当秒针走到时执行

如上所示,时间轮大小为8格,秒针1s转动一格,其每一格所指向的链表保存着待执行任务。比如,如果当前指针指向1,要添加一个3s后执行的任务,由于1+3=4,即在第4格的链表中添加一个任务节点即可。如果要添加一个10s后执行的任务,10+1=11,超过了秒针轮范围,因此需要对8取模11 % 8 = 3,即,会把这个任务放到分针轮3对应的链表上,之后再从分针轮把任务丢到秒针轮上进行处理。也即,**秒针轮(Seconds wheel)**即保存着最近将要执行的任务,随着时间的流逝,任务会慢慢的从上层流到秒针轮中进行执行。

优点:加锁粒度较小,只需要加一个格子即可,一个格子对应一串链表;适合高并发场景

缺点不好删除

如何解决时间轮定时任务删除?

  1. 通过引用计数来解决
  2. 交由业务层处理,将删除标记设为true , 在函数回调中根据这个标记判断是否需要处理

这里介绍两种定时器实现方案,一种是简单实现方案,另一种是skynet较为复杂的实现。

时间轮实现定时器

简单时间轮实现方案

功能场景:由心跳包进行超时连接检测,10s未收到则断开连接

一般做法map<fd, *connect>每秒轮询这个结构,检测所有连接是否超时,收到心跳包,记录时间戳

缺点:效率很差,每次需要检测所有连接,时间复杂度为O(n)

优化分治大法,只需检测快过期的连接, 采用hash数组+链表形式,数组大小设置成16 :[0] + [1] + [2] + ... + [15] ,相同过期时间的放入一个数组,因此,每次只需检测最近过期的数组即可,不需要遍历所有。

数据结构定义

以下为定时器节点,增加引用计数ref, 只有当ref为0时删除连接。

class CTimerNode {
public:
    CTimerNode(int fd) : id(fd), ref(0) {}
    void Offline() {this->ref = 0};
    bool tryKill() {
        if (this->ref == 0return true;
        DecRef();
        if (this->ref == 0){
            return true;
        }
        return false;
    }
    void IncRef() {this->ref++;}
protected:
    void DecRef() {this->ref--;}
private:
    int ref;
    int id;
}
// 时间轮数组大小16, (x对16取余)==(x&1111) 落到0-15之间,即落到对应的数组
const int TW_SIZE = 16;
const in EXPIRE = 10// 过期间隔
const int TW_MASK = TW_SIZE - 1;  // 掩码, 用于对16取余
static size_t iReadTick = 0;  // 滴答时钟
typedef list<CTimerNode*> TimeList; // 数组每一个槽位对应一个list
typedef TimeList::iterator TimeListIter;
typedef vector<TimeList> TimeWheel; // 时间轮
定时器接口
// 添加定时
void AddTimeOut(TimerWheel &tw, CTimerNode *p) {
    if (p) {
        p->IncRef();
        // 找到iRealTick对应数组的idx(槽位)
        TimeList &le = tw[(iRealTick+EXPIRE) & TW_MASK];
        le.push_back(p);  // 把时间节点加入list中
    }
}
// 延时调用
void AddTimeOutDelay(TimeWheel &tw, CTimerNode *p, size_t delay) {
    if (p) {
        p->IncRef();
        TimeList &le = tw[(iRealTick + EXPIRE + delay) & TW_MASK];
        le.push_back(p);
    }
}
// 时间轮移动
void TimerShift(TimeWheel &tw) {
    size_t tick = iRealTick;
    iRealTick++;
    TimeList &le = tw[tick & TW_MASK];
    TimeListIter iter = le.begin();
    for (; iter != le.end(); iter++) {
        CTimerNode *p = *iter;
        if (p && p->trySkill()){
            delete p;
        }
    }
    le.clear();
}

Skynet定时器实现方案

skynet中定时器数据结构

采用时间轮方式,hash表+链表实现,

struct timer_node {  //时间节点
 struct timer_node *next;
    uint32_t expire; //到期滴答数
};
struct link_list {  // 链表
  struct timer_node head;
  struct timer_node *tail;
};
struct timer {
 struct link_list near[256];  // 即将到来的定时器
    struct link_list t[4][64]; // 相对较遥远的定时器
    struct spinlock lock;
    uint32_t time;  // 记录当前滴答数
    uint64_t starttime;
    uint64_t current;
    uint64_t current_point;
};

其中time32位无符号整数, 记录时间片对应数组near[256] ,表示即将到来的定时任务, t[4][64],表示较为遥远的定时任务。

定时器执行流程
skynet_time_wheel
t[3]t[2]t[1]t[0]near
26-32位20-26位14-20位8-14位0-8位
[2^(8+6x3),2^(8+6x4)-1][2^(8+6x2),2^(8+6x3)-1][2^(8+6),2^(8+6x2)-1][2^8,2^(8+6) -1][0,2^8-1]
  • 首先检查节点的expiretime高24位是否相等,相等则将该节点添加到expire低8位值对应数组near的元素的链表中,不相等则进行下一步
  • 检查expiretime高18位是否相等,相等则将该节点添加到expire低第9位到第14位对应的6位二进制值对应数组t[0]的元素的链表中,否则进行下一步
  • 检查expiretime高12位是否相等,相等则将该节点添加到expire低第15位到第20位对应的6位二进制值对应数组t[1]的元素的链表中,如果不相等则进行下一步
  • 检查expiretime高6位是否相等,相等则将该节点添加到expire低第21位到第26位对应的6位二进制值对应数组t[2]的元素的链表中,如果不相等则进行下一步
  • 将该节点添加到expire低第27位到第32位对应的6位二进制值对应数组t[3]的元素的链表中

以下为具体实现,仅贴出主要接口,具体细节请参考skynet源代码。

定时器初始化
// skynet_start.c
// skynet 启动入口
void
skynet_start(struct skynet_config * config) 
{
    ...
    skynet_timer_init();
    ...
}
// skynet_timer.c
void
skynet_timer_init(void) 
{
    // 创建全局timer结构 TI
    TI  = timer_create_timer();
    uint32_t current = 0;
    systime(&TI->starttime, &current);
    TI->current = current;
    TI->current_point = gettime();
}
添加定时器

通过skynet_server.c中的cmd_timeout调用skynet_timeout添加新的定时器

// TI为全局的定时器指针
static struct timer * TI = NULL; 
int skynet_timeout(uint32_t handle, int time, int session) {
    ...
    struct timer_event event;
    event.handle = handle;  // callback
    eveng.session = session;
    // 添加新的定时器节点
    timer_add(TI, &event, sizeof(event), time);
    return session;
}
// 添加新的定时器节点
static void timer_add(struct timer *T, void 8arg, size_t sz, int time) {
    // 给timer_node指针分配空间,还需要分配timer_node + timer_event大小的空间,
    // 之后通过node + 1可获得timer_event数据
    struct timer_node *node = (struct timer_node *)skynet_malloc(sizeof(*node)+sz);
    memcpy(node+1,arg,sz);
    SPIN_LOCK(T);
    node->expire=time+T->time;
    add_node(T, node);
    SPIN_UNLOCK(T);
}

// 添加到定时器链表里,如果定时器的到期滴答数跟当前比较近(<2^8),表示即将触发定时器添加到T->near数组里
// 否则根据差值大小添加到对应的T->T[i]中
static void add_node(struct timer *T, struct timer_node *node) {
    ...
}
驱动方式

skynet启动时,会创建一个线程专门跑定时器,每帧(0.0025s)调用skynet_updatetime()

// skynet_start.c
static void * 
thread_timer(void *p) 
{
    struct monitor * m = p;
    skynet_initthread(THREAD_TIMER);
    for (;;) {
        skynet_updatetime();  // 调用timer_update
        skynet_socket_updatetime();
        CHECK_ABORT
        wakeup(m,m->count-1)
;
        usleep(2500);  // 2500微秒 = 0.0025s
        if (SIG) {
            signal_hup();
            SIG = 0;
        }
    }
    ...
}

每个定时器设置一个到期滴答数,与当前系统的滴答数(启动时为0,1滴答1滴答往后跳,1滴答==0.01s ) 比较得到差值interval;

如果interval比较小(0 <= interval <= 2^8-1),表示定时器即将到来,保存在第一部分前2^8个定时器链表中;否则找到属于第二部分对用的层级中。

// skynet_timer.c
void 
skynet_updatetime(void) 
{
    ...
    uint32_t diff = (uint32_t)(cp - TI->current_point); 
    TI->current_point = cp;
    TI->current += diff;
    // diff单位为0.01s
    for (i = 0; i < diff; i++){
        timer_update(TI);        
    }
}
static void
timer_update(struct timer *T) 
{
    SPIN_LOCK(T);
    timer_execute(T); // 检查T->near是否位空,有就处理到期定时器
    timer_shift(T);  // 时间片time++,移动高24位的链表
    timer_execute(T);
    SPIN_UNLOCK(T);
}
// 每帧从T->near中触发到期得定时器
static inline void
timer_execute(struct timer *T) 
{
  ...
}
// 遍历处理定时器链表中所有的定时器
static inline void
dispatch_list(struct timer_node *current) 
{
    ...
}
// 将高24位对应的4个6位的数组中的各个元素的链表往低位移
static void
timer_shift(struct timer *T) 
{
    ...
}
// 将level层的idx位置的定时器链表从当前位置删除,并重新add_node
static void move_list(struct timer *T, int level, int idx) {

}

最小堆实现定时器

最小堆实现例子:boost.asio采用二叉树,go采用四叉树, libuv

具体实现略。

总结

本文主要介绍定时器作用,实现定时器数据结构选取,并详细介绍了跳表红黑树时间轮实现定时器的思路和方法。

参考

跳表介绍

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1633338040568845450&wfr=spider&for=pc

Skynet GitHub

https://github.com/cloudwu/skynet

skynet源码剖析

https://zhongyiqun.gitbooks.io/skynet/content/18-skynetding-shi-qi-yuan-li.html
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