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C++定时器和时间轮
定时器
有些时候我们需要延迟执行一些功能，比如每10s进行一次数据采集。或者告知用户技能冷却有多少时间，如果我们将执行这些功能的任务交给主线程，就会造成主线程的阻塞。因此我们可以选择一个创建一个子线程，让其检测定时器中的任务，当有任务的时间到了的时候，就去执行这个任务。
最小堆实现定时器
定时器可以由很多种数据结构实现，比如最小堆、红黑树、跳表、甚至数组都可以，其本质都是拿到最小时间的任务，然后取出该任务并执行。
综合实现难度和效率来看，最小堆是最容易实现定时器的数据结构。最小堆主要有以下接口：
#pragma once #include#include using namespace std; typedef void (*TimerHandler)(struct TimerNode *node); //获取系统时间，单位是毫秒 static uint32_t current_time() { uint32_t t; struct timespec ti; clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti); t = (uint32_t)ti.tv_sec * 1000; t += ti.tv_nsec / 1000000; return t; } struct TimerNode { //该任务在最小堆中的下标位置 int idx = 0; //该任务是第几号任务 int id = 0; //几毫秒后执行该任务 unsigned int expire = 0; //回调函数 TimerHandler cb = NULL; }; class MinHeapTimer { public: MinHeapTimer() { _heap.clear(); _map.clear(); } int Count(); //加入任务，expire为该任务的失效时间，expire过后就要执行回调函数cb int AddTimer(uint32_t expire, TimerHandler cb); //删除一个任务 bool DelTimer(int id); //获取一个任务 void ExpireTimer(); private: //用于比较两个任务的过期时间 bool _compare(int lhs, int rhs); //向下调整算法，每次删除一个节点就要向下调整 void _shiftDown(int parent); //向上调整算法，每添加一个数都要调用向上调整算法，保证根节点为最小节点 void _shiftUp(int child); //删除的子函数 void _delNode(TimerNode *node); void resign(int pos); private: //数组中存储任务节点 vector<TimerNode *> _heap; //存储值和响应节点的映射关系 map<int, TimerNode *> _map; //任务的个数，注意不是_heap的size int _count = 0; }; - 1
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具体的实现以及测试为：
#pragma once #include#include using namespace std; typedef void (*TimerHandler)(struct TimerNode *node); //获取系统时间，单位是毫秒 static uint32_t current_time() { uint32_t t; struct timespec ti; clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti); t = (uint32_t)ti.tv_sec * 1000; t += ti.tv_nsec / 1000000; return t; } struct TimerNode { //该任务在最小堆中的下标位置 int idx = 0; //该任务是第几号任务 int id = 0; unsigned int expire = 0; //回调函数 TimerHandler cb = NULL; }; class MinHeapTimer { public: MinHeapTimer() { _heap.clear(); _map.clear(); } int Count() { return ++_count; } //加入任务，expire为该任务的失效时间，expire过后就要执行回调函数cb int AddTimer(uint32_t expire, TimerHandler cb) { int64_t timeout = current_time() + expire; TimerNode *node = new TimerNode; int id = Count(); node->id = id; node->expire = timeout; node->cb = cb; node->idx = (int)_heap.size(); _heap.push_back(node); _shiftUp((int)_heap.size() - 1); _map.insert(make_pair(id, node)); return id; } //删除一个任务 bool DelTimer(int id) { auto iter = _map.find(id); if (iter == _map.end()) return false; _delNode(iter->second); return true; } //获取一个任务 void ExpireTimer() { if (_heap.empty()) { return; } //获取当前时间 uint32_t now = current_time(); while (!_heap.empty()) { //获取最近的一个任务 TimerNode *node = _heap.front(); //当最近一个任务的时间大于当前时间，说明没有任务要执行 if (now < node->expire) { break; } //遍历一下堆，这一步可以不加 for (int i = 0; i < _heap.size(); i++) { std::cout << "touch idx: " << _heap[i]->idx << " id: " << _heap[i]->id << " expire: " << _heap[i]->expire << std::endl; } //执行最近任务的回调函数 if (node->cb) { node->cb(node); } //执行完就删掉这个任务 _delNode(node); } } private: //用于比较两个任务的过期时间 bool _compare(int lhs, int rhs) { return _heap[lhs]->expire < _heap[rhs]->expire; } //向下调整算法，每次删除一个节点就要向下调整 void _shiftDown(int parent) { int child = parent * 2 + 1; while (child < _heap.size() - 1) { if (child + 1 < _heap.size() - 1 && !_compare(child, child + 1)) { child++; } if (!_compare(parent, child)) { std::swap(_heap[parent], _heap[child]); _heap[parent]->idx = parent; _heap[child]->idx = child; parent = child; child = parent * 2 + 1; } else { break; } } } //向上调整算法，每添加一个数都要调用向上调整算法，保证根节点为最小节点 void _shiftUp(int child) { int parent = (child - 1) / 2; while (child > 0) { if (!_compare(parent, child)) { std::swap(_heap[parent], _heap[child]); _heap[parent]->idx = parent; _heap[child]->idx = child; child = parent; parent = (child - 1) / 2; } else { break; } } } //删除的子函数 void _delNode(TimerNode *node) { int last = (int)_heap.size() - 1; int idx = node->idx; if (idx != last) { std::swap(_heap[idx], _heap[last]); _heap[idx]->idx = idx; resign(idx); } _heap.pop_back(); _map.erase(node->id); delete node; } void resign(int pos) { //向上调整和向下调整只会发生一个 _shiftDown(pos); _shiftUp(pos); } private: //数组中存储任务节点 vector<TimerNode *> _heap; //存储值和响应节点的映射关系 map<int, TimerNode *> _map; //任务的个数，注意不是_heap的size int _count = 0; }; - 1
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#include#include #include #include "minheap.h" void print_hello(TimerNode *te) { std::cout << "hello world time = " << te->idx << "\t" << te->id << "\t" << current_time() << std::endl; } int main() { MinHeapTimer mht; //一号任务，立刻执行 mht.AddTimer(0, print_hello); //二号任务，一秒后执行 mht.AddTimer(1000, print_hello); mht.AddTimer(7000, print_hello); mht.AddTimer(2000, print_hello); mht.AddTimer(9000, print_hello); mht.AddTimer(10000, print_hello); mht.AddTimer(6000, print_hello); mht.AddTimer(3000, print_hello); while (1) { mht.ExpireTimer(); // usleep(10000); sleep(1); } return 0; } - 1
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时间轮
上面的定时器在任务数量很多时，效率会很低，因为我们需要用最小堆来维护这些任务，并且每删除一个任务，都要进行调整。其主要原因是我们不知道其他任务什么时候执行，所以我们只能进行调整，将最近的任务放到堆顶。
如果我们能够向哈希桶那样，将要执行的任务形成链表，挂到要执行的位置，当时间走到那个位置的时候，就执行这些任务，效率岂不是更高？
单层级时间轮
客户端每 5 秒钟发送⼼跳包；服务端若 10 秒内没收到⼼跳数据，则清除连接。
考虑到正常情况下 5 秒钟发送⼀次⼼跳包，10 秒才检测⼀次，如下图到索引为 10 的时候并不能踢掉连接；所以需要每收到⼀次⼼跳包则 used++ ，每检测⼀次 used-- ；当检测到used == 0 则踢掉连接；
#include#include #include #include #include #include #define MAX_CONN ((1 << 16) - 1) //连接的节点，用来记录心跳包发送的次数 typedef struct conn_node { struct conn_node *next; //引用计数的次数,当used==0，相当于自动销毁 uint8_t used; int id; } conn_node_t; //用数组记录所有的连接 static conn_node_t nodes[MAX_CONN] = {0}; static uint32_t iter = 0; //获取一个空的连接节点 conn_node_t *get_node() { iter++; while (nodes[iter & MAX_CONN].used > 0) { iter++; } return &nodes[iter]; } //哈希桶的个数 #define TW_SIZE 16 //检测心跳包的延迟时间，由于哈希桶的个数有限，所以心跳包发送时间不能够超过6 #define EXPIRE 10 //取余操作 #define TW_MASK (TW_SIZE - 1) static uint32_t tick = 0; //哈希桶 typedef struct link_list { conn_node_t head; //一个tail，能够进行快速插入 conn_node_t *tail; } link_list_t; //添加连接 void add_conn(link_list_t *tw, conn_node_t *node, int delay) { //获取对应的哈希桶 link_list_t *list = &tw[(tick + EXPIRE + delay) & TW_MASK]; list->tail->next = node; list->tail = node; node->next = NULL; node->used++; } //清楚这个哈希桶 void link_clear(link_list_t *list) { list->head.next = NULL; list->tail = &(list->head); } //检测哈希桶 void check_conn(link_list_t *tw) { int32_t itick = tick; tick++; //取到对应哈希桶的链表 link_list_t *list = &tw[itick & TW_MASK]; //检测哈希桶对应的链表 conn_node_t *current = list->head.next; while (current) { conn_node_t *temp = current; current = current->next; temp->used--; if (temp->used == 0) { printf("连接:%d 断开\n", temp->id); temp->next = NULL; continue; } printf("这个链接:%d 心跳包还剩:%d个需要检测\n", temp->id, temp->used); } link_clear(list); } //获取时间，单位是s static time_t current_time() { time_t t; struct timespec ti; clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti); t = (time_t)ti.tv_sec; return t; } int main() { memset(nodes, 0, MAX_CONN * sizeof(conn_node_t)); // init link list link_list_t tw[TW_SIZE]; memset(tw, 0, TW_SIZE * sizeof(link_list_t)); for (int i = 0; i < TW_SIZE; i++) { link_clear(&tw[i]); } // 第一个连接对应的心跳包，在0和5时进行发送 //所以会在10s和15s时进行检测，15s时把该连接断开 { conn_node_t *node = get_node(); node->id = 10001; add_conn(tw, node, 0); add_conn(tw, node, 5); } //第二个连接发送的心跳包，在第10s时进行检测 { conn_node_t *node = get_node(); node->id = 10002; add_conn(tw, node, 0); } //第二个连接发送的心跳包，在第13s时检测 { conn_node_t *node = get_node(); node->id = 10003; add_conn(tw, node, 3); } time_t start = current_time(); while (1) { time_t now = current_time(); if (now - start > 0) { for (int i = 0; i < now - start; i++) check_conn(tw); start = now; printf("在第%d秒时检测,此时机器时间:%d\n", tick, now); } } return 0; } - 1
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上面的时间轮受哈希桶大小和延迟10s收到心跳包的影响，只能在[0,6]秒内发送数据心跳包，如果想要延迟长时间，则需要扩大哈希桶的大小。
如果我们不发送心跳包，而是改成在若干秒后执行一个任务，比如50s后执行任务，但哈希桶大小只有16，我们可以在任务节点中增加一个参数round，用来记录需要走多少遍哈希桶，比如50s，对应到大小为16的哈希桶则round=3,idx=2。
不过这样做，在check_conn取任务时就不能够把整个链表都取出来，而是需要取出round==0的任务。typedef struct node { struct conn_node *next; //需要走多少轮哈希桶，当round==0时，则说明需要执行这个任务 int round; int id; } node_t;- 1
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这样做能解决时间轮刻度范围过大造成的空间浪费，但是却带来了另一个问题：时间轮每次都需要遍历任务列表，耗时增加，当时间轮刻度粒度很小(秒级甚至毫秒级)，任务列表又特别长时，这种遍历的办法是不可接受的。
多层级时间轮
参照时钟表盘的运转规律，可以将定时任务根据触发的紧急程度，分布到不同层级的时间轮中；
假设时间精度为 10ms ；在第 1 层级每 10ms 移动⼀格；每移动⼀格执⾏该格⼦当中所有的定时任务；
当第 1 层指针从 255 格开始移动，此时层级 2 移动⼀格；层级 2 移动⼀格的⾏为定义为，将该格当中的定时任务重新映射到层级 1 当中；同理，层级 2 当中从 63 格开始移动，层级 3 格⼦中的定时任务重新映射到层级 2 ; 以此类推层级 4 往层级 3 映射，层级 5 往层级 4 映射。
只有任务在第一层时才会被执行，其他层都是将任务重新映射到上一层。
- timewheel.h:
#pragma once #include#define TIME_NEAR_SHIFT 8 #define TIME_NEAR (1 << TIME_NEAR_SHIFT) #define TIME_LEVEL_SHIFT 6 #define TIME_LEVEL (1 << TIME_LEVEL_SHIFT) #define TIME_NEAR_MASK (TIME_NEAR - 1) #define TIME_LEVEL_MASK (TIME_LEVEL - 1) typedef struct timer_node timer_node_t; typedef void (*handler_pt)(struct timer_node *node); struct timer_node { struct timer_node *next; uint32_t expire; //时间 handler_pt callback; //回调函数 uint8_t cancel; //是否删除 int id; // 此时携带参数 }; timer_node_t *add_timer(int time, handler_pt func, int threadid); void expire_timer(void); void del_timer(timer_node_t *node); void init_timer(void); void clear_timer(); - 1
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- spinlock.h:
#pragma once struct spinlock { int lock; }; void spinlock_init(struct spinlock *lock) { lock->lock = 0; } void spinlock_lock(struct spinlock *lock) { while (__sync_lock_test_and_set(&lock->lock, 1)) { } } int spinlock_trylock(struct spinlock *lock) { return __sync_lock_test_and_set(&lock->lock, 1) == 0; } void spinlock_unlock(struct spinlock *lock) { __sync_lock_release(&lock->lock); } void spinlock_destroy(struct spinlock *lock) { (void)lock; }- 1
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- timewheel.cpp:
#include "spinlock.h" #include "timewheel.h" #include#include #include #include typedef struct link_list { timer_node_t head; timer_node_t *tail; } link_list_t; //多级时间轮 typedef struct timer { //第一级 link_list_t near[TIME_NEAR]; // 2-4级 link_list_t t[4][TIME_LEVEL]; struct spinlock lock; uint32_t time; uint64_t current; uint64_t current_point; } s_timer_t; static s_timer_t *TI = NULL; timer_node_t *link_clear(link_list_t *list) { timer_node_t *ret = list->head.next; list->head.next = 0; list->tail = &(list->head); return ret; } //链接一个节点 void link(link_list_t *list, timer_node_t *node) { list->tail->next = node; list->tail = node; node->next = 0; } void add_node(s_timer_t *T, timer_node_t *node) { uint32_t time = node->expire; uint32_t current_time = T->time; uint32_t msec = time - current_time; //根据时间 if (msec < TIME_NEAR) { //[0, 0x100) link(&T->near[time & TIME_NEAR_MASK], node); } else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT + TIME_LEVEL_SHIFT))) { //[0x100, 0x4000) link(&T->t[0][((time >> TIME_NEAR_SHIFT) & TIME_LEVEL_MASK)], node); } else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT + 2 * TIME_LEVEL_SHIFT))) { //[0x4000, 0x100000) link(&T->t[1][((time >> (TIME_NEAR_SHIFT + TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)], node); } else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT + 3 * TIME_LEVEL_SHIFT))) { //[0x100000, 0x4000000) link(&T->t[2][((time >> (TIME_NEAR_SHIFT + 2 * TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)], node); } else { //[0x4000000, 0xffffffff] link(&T->t[3][((time >> (TIME_NEAR_SHIFT + 3 * TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)], node); } } //增加事件 timer_node_t *add_timer(int time, handler_pt func, int threadid) { timer_node_t *node = (timer_node_t *)malloc(sizeof(*node)); spinlock_lock(&TI->lock); node->expire = time + TI->time; // 每10ms加1 0 node->callback = func; node->id = threadid; if (time <= 0) { node->callback(node); free(node); spinlock_unlock(&TI->lock); return NULL; } add_node(TI, node); spinlock_unlock(&TI->lock); return node; } void move_list(s_timer_t *T, int level, int idx) { timer_node_t *current = link_clear(&T->t[level][idx]); while (current) { timer_node_t *temp = current->next; add_node(T, current); current = temp; } } void timer_shift(s_timer_t *T) { int mask = TIME_NEAR; uint32_t ct = ++T->time; if (ct == 0) { move_list(T, 3, 0); } else { // ct / 256 uint32_t time = ct >> TIME_NEAR_SHIFT; int i = 0; // ct % 256 == 0 while ((ct & (mask - 1)) == 0) { int idx = time & TIME_LEVEL_MASK; if (idx != 0) { move_list(T, i, idx); break; } mask <<= TIME_LEVEL_SHIFT; time >>= TIME_LEVEL_SHIFT; ++i; } } } void dispatch_list(timer_node_t *current) { do { timer_node_t *temp = current; current = current->next; if (temp->cancel == 0) temp->callback(temp); free(temp); } while (current); } void timer_execute(s_timer_t *T) { int idx = T->time & TIME_NEAR_MASK; while (T->near[idx].head.next) { timer_node_t *current = link_clear(&T->near[idx]); spinlock_unlock(&T->lock); dispatch_list(current); spinlock_lock(&T->lock); } } void timer_update(s_timer_t *T) { spinlock_lock(&T->lock); timer_execute(T); timer_shift(T); timer_execute(T); spinlock_unlock(&T->lock); } void del_timer(timer_node_t *node) { node->cancel = 1; } s_timer_t *timer_create_timer() { s_timer_t *r = (s_timer_t *)malloc(sizeof(s_timer_t)); memset(r, 0, sizeof(*r)); int i, j; for (i = 0; i < TIME_NEAR; i++) { link_clear(&r->near[i]); } for (i = 0; i < 4; i++) { for (j = 0; j < TIME_LEVEL; j++) { link_clear(&r->t[i][j]); } } spinlock_init(&r->lock); r->current = 0; return r; } uint64_t gettime() { uint64_t t; struct timespec ti; clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti); t = (uint64_t)ti.tv_sec * 100; t += ti.tv_nsec / 10000000; return t; } void expire_timer(void) { uint64_t cp = gettime(); if (cp != TI->current_point) { uint32_t diff = (uint32_t)(cp - TI->current_point); TI->current_point = cp; int i; for (i = 0; i < diff; i++) { timer_update(TI); } } } void init_timer(void) { TI = timer_create_timer(); TI->current_point = gettime(); } void clear_timer() { int i, j; for (i = 0; i < TIME_NEAR; i++) { link_list_t *list = &TI->near[i]; timer_node_t *current = list->head.next; while (current) { timer_node_t *temp = current; current = current->next; free(temp); } link_clear(&TI->near[i]); } for (i = 0; i < 4; i++) { for (j = 0; j < TIME_LEVEL; j++) { link_list_t *list = &TI->t[i][j]; timer_node_t *current = list->head.next; while (current) { timer_node_t *temp = current; current = current->next; free(temp); } link_clear(&TI->t[i][j]); } } } - 1
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- tw-timer.cpp:
#include#include #include #include #include #include "timewheel.h" struct context { int quit; int thread; }; struct thread_param { struct context *ctx; int id; }; static struct context ctx = {0}; void do_timer(timer_node_t *node) { printf("timer expired:%d - thread-id:%d\n", node->expire, node->id); } void *thread_worker(void *p) { struct thread_param *tp = (struct thread_param *)p; int id = tp->id; struct context *ctx = tp->ctx; while (!ctx->quit) { int expire = rand() % 200; add_timer(expire, do_timer, id); usleep(expire * (10 - 1) * 1000); } printf("thread_worker:%d exit!\n", id); return NULL; } void do_quit(timer_node_t *node) { ctx.quit = 1; } int main() { srand(time(NULL)); ctx.thread = 8; pthread_t pid[ctx.thread]; init_timer(); add_timer(6000, do_quit, 100); struct thread_param task_thread_p[ctx.thread]; int i; for (i = 0; i < ctx.thread; i++) { task_thread_p[i].id = i; task_thread_p[i].ctx = &ctx; if (pthread_create(&pid[i], NULL, thread_worker, &task_thread_p[i])) { fprintf(stderr, "create thread failed\n"); exit(1); } } while (!ctx.quit) { expire_timer(); usleep(2500); } clear_timer(); for (i = 0; i < ctx.thread; i++) { pthread_join(pid[i], NULL); } printf("all thread is closed\n"); return 0; } - 1
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