定时器概述
定时器使用场景
- ⼼跳检测
- 技能冷却
- 武器冷却
- 倒计时
- CSDN文章的定时发布
- 其它需要使⽤定时机制的功能
定时器触发方式
网络事件与定时事件在一个线程中处理
定时器通常是与网络组件一起工作，⽹络事件和时间事件在⼀个线程当中配合使⽤；例如nginx、redis，我们将epoll_wait的第四个参数timeout设置为最近要触发的定时器的时间差，这样就可以兼顾对网络事件的处理，又可以兼顾对时间事件的处理。
while (!quit) { int now = get_now_time();// 单位：ms //找出最近要触发的定时器时间 int timeout = get_nearest_timer() - now; if (timeout < 0) timeout = 0; int nevent = epoll_wait(epfd, ev, nev, timeout); for (int i=0; i<nevent; i++) { //... ⽹络事件处理 } update_timer(); // 时间事件处理 }
但是epoll_wait毕竟涉及到内核态与用户态的切换，以及网络事件处理的时间开销，所以定时事件就会一段时间的延时了。换句话说，受网络事件处理和系统调用的影响，定时器误差有点大。
网络事件和定时事件在不同线程中处理
大量定时任务怎么处理
如果有大量的定时任务，我们首先要想到用哪一个数据结构去组织这些大量的定时任务。定时器的本质是越近要触发的任务，其优先级越高。也就是说，需要根据时间这个key来排序。那么有序的数据结构有哪些呢？红黑树，最小堆，跳表，时间轮。
- 红黑树(单线程)：nginx
- 跳表(单线程)：redis
- 最小堆(单线程)：libevent，go(最小四叉堆)，libev(最小四叉堆)；大部分都是用最小堆来实现定时器
- 时间轮(多线程)：netty，kafka，skynet，crontab，linux内核
定时器设计
接口设计
// 初始化定时器 void init_timer(); // 添加定时器 Node* add_timer(int expire, callback cb); // 删除定时器 bool del_timer(Node* node); // 找到最近要触发的定时任务 Node* find_nearest_timer(); // 更新检测定时器 void update_timer(); // 清除定时器 void clear_timer();
说明：
- find_nearest_timer接口只有在网络事件和定时事件在同一个线程中处理的时候才需要（因为同一个线程中一般是按照时间顺序组织延时任务的，而时间轮中是按执行顺序组织的，所以不需要这个接口），其他几个接口无论是定时器的哪种触发方式都需要
数据结构设计
从接口上我们可以看出定时器数据结构的基本要求：
- 能够快速插入删除结点
- 能够快速找到最小的结点
本文对红黑树与最小堆以及跳表不做详细介绍，主要介绍时间轮
红黑树：插入O(logn)，删除O(logn)，快速找到最小的结点O(logn)
跳表：插入O(logn)，删除O(logn)，快速找到最小的结点O(1)
最小堆：插入O(logn)，删除O(logn)，快速找到最小的结点O(1)
时间轮（哈希表+链表）：插入O(1)，删除O(1)，快速找到最小的结点O(1)（存在踏空问题，后续介绍）
在上面也写过，红黑树和最小堆适用于单线程，其核心原因在于如果在多线程环境下，锁红黑树或者最小堆，那就要锁整个，粒度太大了。而时间轮的时间复杂度可以到O(1)，粒度较小，所以时间轮更适合多线程环境。
时间轮
时间轮的概念
从时钟表盘出来，描述此时间轮的时间精度是1秒，时间范围是12小时（即tick的取值范围在0-12小时之内）。
时间轮参考时钟进行理解，秒针tick走一圈，则分针走一格，分针走一圈则时针走一格。随着时间tick的踏步，任务不断的从上层流到下一层，最终流到秒针轮上，当秒针走到对应的格子上时，执行链表内的所有任务。
如图所示，秒针和分钟对应60个格子，秒针每走一步，则执行其对应格子指向链表内的时间任务。比如现在tick=1，要添加一个3s后的任务，则在第4格链表中添加一个任务即可，如果要在60秒后执行一个任务，由于60大于了秒针的范围，则要把该任务放到分钟上。可以看到秒针的时间精度一格是1秒，而分钟的一格时间精度是60秒，时针的一格时间精度是60*60秒。
正因为如此，当分钟指向第一个格子上时，会把其对应的链表任务重新映射到下一层，即秒针。当时针走到11时，会把对应任务重新映射到分针上面。
由此可见，秒针轮保存着即将要执行的任务，而别的轮的时间跨度则越来越大，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。
注意到上面写的重新映射了吗，这意味着时间轮无法删除任务，那么这个问题该如何解？我们可以添加一个删除标记，在函数回调中根据这个标记判断是否需要处理。
truct timer_node { struct timer_node *next; uint32_t expire; handler_pt callback; uint8_t cancel;//是否删除 };
设计单层级时间轮
**场景：**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；
**普通做法：*我们假设使⽤ map<int, conn> 来存储所有连接数；每秒检测 map 结构，那么每秒需要遍历所有的连接，如果这个map结构包含⼏万条连接，那么我们做了很多⽆效检测；考虑极端情况，刚添加进来的连接，下⼀秒就需要去检测，实际上只需要10秒后检测就⾏了。
**时间轮做法：**只需检测快过期的连接， 采用hash数组+链表形式，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。
时间轮需要考虑两个因素，1. 时间轮的大小，2. 时间精度。
时间轮的大小
因为10秒一检测，所以时间轮的大小要大于10。我们一般将时间轮的大小，也就是数组长度，设置为2^n
因为我们总是要进行取余操作,m%n在计算机内部等于m−n∗floor(m/n) ,乘法除法运算效率太低，我们可以通过位运算来优化。
m % 2^n = m & (2^n − 1)
m % 16 = m & 15
时间精度
时间精度就要看业务需求了，目前的需求是以秒为单位，那么时间精度就设置为秒即可
空推进问题
对于单层级的时间轮来说，如果大小设置太大了，就会出现踏空的现象，空推进。这里时间轮设置了1024大小，但是定时任务只有两个，从5到1022都是没有任务的，那么这就是空推进的情况。这是分布式定时器必须要解决的问题，分布式定时器一般都是用单层级时间轮。
那么怎么解决这个问题呢？第一种做法就是使用辅助数据结构最小堆+单层级时间轮。用最小堆告诉tick下一次检测是第几个格子，直接跳跃，而不是一格一格的走。时间精度设置不当也会造成空推进。第二种做法就是多层级时间轮。
多层级时间轮
定时任务时间跨度特别大，有几秒的任务，几个小时的任务，几天的定时任务。那么对于单层级时间轮来说，无论它怎么设置都解决不了这个问题，肯定会出现空推进的问题。
那么我们设计把最近要触发的定时任务放到第一层，几分钟的放到第二层，几个小时的放到第三层…这就是多层级的意思。
我们以时钟这个时间轮来举例
时间轮中的数组是指针数组，因为数据下面要挂链表的。
小于1分钟的任务放在秒针层级，大于1分钟小于1小时的任务放在分针层级，大于1小时小于12小时的任务放在时针层级；时间表盘上是有3个指针的，而我们算法实现的时候只需要1个指针就行（让这一个指针在0-12*3600范围内活动即可），因为我们根据这1个指针就可以算出时针在哪里（ ( tick / (60 * 60) ) % 12），分针在哪里（ (tick / 60) % 60 ），秒针在哪里（ tick % 60 ）。
对于任务节点来说，如果expire相同，我们采用类似hash一样的拉链法，使用next指针将expire相同的链接起来，先来的先执行，这里采用尾插。
分针和时针里面都是采用的稀疏存储，当秒针移动一圈，说明下一分钟的任务快执行了，此时就需要重新映射（将分针层的任务重新映射到秒针层级），因为我们时间精度为秒，只会在秒针层执行任务，分针和时针的任务都需要往上一层级重新映射。
Skynet定时器实现方案
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；
skynet中定时器数据结构
采用时间轮方式，hash表+链表实现。其中time为32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。
typedef struct timer_node timer_node_t; struct timer_node { struct timer_node *next; uint32_t expire; handler_pt callback; uint8_t cancel; int id; // 此时携带参数 }; typedef struct link_list { // 链表 timer_node_t head; timer_node_t *tail; }link_list_t; typedef struct timer { link_list_t near[TIME_NEAR]; // 记录1个即将到来的定时器，指针数组 link_list_t t[4][TIME_LEVEL]; // 记录4个相对较遥远的定时器，每一个都是一个指针数组 struct spinlock lock; uint32_t time; // 记录当前滴答数 uint64_t current; uint64_t current_point; }s_timer_t;
接口介绍
定时器初始化
static s_timer_t * TI = NULL; typedef void (*handler_pt) (struct timer_node *node); 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; #if !defined(__APPLE__) || defined(AVAILABLE_MAC_OS_X_VERSION_10_12_AND_LATER) struct timespec ti; clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti); t = (uint64_t)ti.tv_sec * 1000; // 将秒转化为毫秒 t += ti.tv_nsec / 1000000; // 将纳秒转化为毫秒，表示t的时间精度是毫秒 #else struct timeval tv; gettimeofday(&tv, NULL); t = (uint64_t)tv.tv_sec * 100; t += tv.tv_usec / 10000; #endif return t; } void init_timer(void) { TI = timer_create_timer(); TI->current_point = gettime(); }
添加定时器以及定时任务
// 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 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; 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); } } 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; node->callback = func; node->id = threadid; if (time <= 0) { spinlock_unlock(&TI->lock); node->callback(node); free(node); return NULL; } add_node(TI, node); spinlock_unlock(&TI->lock); return node; }
驱动方式
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); // 检查T->near是否位空，有就处理到期定时器 timer_shift(T); // 时间片time++,并判断是否需要重新映射，需要则映射 timer_execute(T); spinlock_unlock(&T->lock); } 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); } } } while (!ctx.quit) { expire_timer(); //为什么1/4精度的时间去检测一次，因为dispatch是需要时间的，它会影响到时间精度， //所以我们搞一个更小的单位去检测，这样去消除精度误差 usleep(250); //精度是1毫秒，这里每次睡眠0.25毫秒 }
重新映射
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; } } // 判断是否需要重新映射 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 说明移动到了不同层级的最后一格 while ((ct & (mask-1))==0) { int idx=time & TIME_LEVEL_MASK; if (idx!=0) { // 这里发生重新映射，将i+1层级idx格子中的定时任务重新映射到i层级中 move_list(T, i, idx); break; } mask <<= TIME_LEVEL_SHIFT; time >>= TIME_LEVEL_SHIFT; ++i; } } }
如何设计时间轮
问题总结
1、怎么减少任务的无效检测？
- 优化任务添加和删除操作：在添加和删除任务时，避免频繁地进行无效检测。可以使用合适的数据结构（如最小堆、红黑树等）来存储定时器任务，并保持有序性，以便更高效地进行添加和删除。
- 使用时间轮（Time Wheel）算法：时间轮是一种基于哈希桶的定时器调度算法。它将时间划分为多个粒度相等的槽，每个槽对应一个时间段。定时任务被放入对应的槽中，在每个时间周期结束后，只需检查当前槽是否为空，从而避免对所有任务进行无效检测。
