用最小堆实现通用的高效定时器组件
开篇
在程序开发过程中，定时器会经常被使用到。而在Linux应用开发中，系统定时器资源有限，进程可创建的定时器数量会受到系统限制。假如随便滥用定时器，会导致定时器资源不足，其他模块便无法申请到定时器资源。
如上，假如同一进程中多个模块，需要同时申请不同周期定时器，就会导致模块创建定时器失败。
解决方案
为解决定时器资源紧缺的问题，通常有以下几种方案：
- 最小堆方式
① 首先创建一个系统定时器，设置为一次性触发。
② 其次基于二叉堆数据结构，将每个定时任务按照时触发时间戳先后顺序依次排列。
③ 每次取堆顶定时器任务时间戳，计算出触发时间，启动并更新系统定时器触发时间。
④ 定时器触发后，检查堆顶部的定时任务是否超时，超时触发对应事件，将定时器任务移除堆顶，重复③。（若定时任务为周期任务，则将其按照下次触发时间戳插入至二叉堆） - 时间轮方式
① 首先创建一个系统定时器，设置为周期性触发，周期为多个定时任务可共用的最小颗粒度。
② 定义环形数组，将时间划分为多个槽，每个槽放多个定时任务。
③ 定时器按照周期触发，触发后遍历每个槽的定时任务，并触发对应事件。
两者相比，各有优劣。最小堆方式精度更高，时间轮方式则胜在效率。在定时任务数量不庞大的情况下，最小堆方式更合适。本篇主要介绍最小堆的实现。
类图
通过对定时器功能的理解，可以将其抽象为三个类：系统定时器，定时器任务，定时器任务管理。其类图如下：
定时器管理组件
- 系统定时器(SystemTimer)
负责封装Linux 定时器接口，向外提供系统定时器的使用接口。主要包含如下功能：
① 创建定时器
② 启动定时器
③ 停止定时器
④ 销毁定时器资源 - 定时器任务(Timer)
负责缓存定时任务属性的数据结构。主要包含如下数据：
① 触发时间间隔
② 下次触发时间戳
② 触发次数
③ 已触发次数计数
④ 定时器触发响应事件
⑤ 预定定时器的模块ID - 定时器任务管理(TimerManager)
负责持有系统定时器和定时任务的管理。主要包含如下功能：
① 初始化、启动、结束、销毁系统定时器
② 接收和缓存定时任务预约事件
③ 维护定时任务容器，按照定时任务容器时间序更新系统定时器触发时间
源码实现
编程环境
- 编译环境: Linux环境
- 语言: C++语言
接口定义
- 系统定时器(SystemTimer)
class SprSystemTimer : public SprObserver { public: SprSystemTimer(ModuleIDType id, const std::string& name, std::shared_ptr<SprMediatorProxy> mediatorPtr); ~SprSystemTimer(); SprSystemTimer(const SprSystemTimer&) = delete; SprSystemTimer& operator=(const SprSystemTimer&) = delete; SprSystemTimer(SprSystemTimer&&) = delete; SprSystemTimer& operator=(SprSystemTimer&&) = delete; int ProcessMsg(const SprMsg& msg); int Init(); int InitTimer(); int StartTimer(uint32_t intervalInMilliSec); int StopTimer(); int DestoryTimer(); private: bool mTimerRunning; int mTimerFd; };
- 定时器任务(Timer)
class SprTimer { public: SprTimer(uint32_t moduleId, uint32_t msgId, uint32_t repeatTimes, uint32_t delayInMilliSec, uint32_t intervalInMilliSec); SprTimer(const SprTimer& timer); ~SprTimer(); bool operator < (const SprTimer& t) const; bool IsExpired() const; uint32_t GetTick() const; uint32_t GetModuleId() const { return mModuleId; } uint32_t GetMsgId() const { return mMsgId; } uint32_t GetIntervalInMilliSec() const { return mIntervalInMilliSec; } uint32_t GetExpired() const { return mExpired; } uint32_t GetRepeatTimes() const { return mRepeatTimes; } uint32_t GetRepeatCount() const { return mRepeatCount; } void SetExpired(uint32_t expired) { mExpired = expired; } void RepeatCount() const { mRepeatCount++; } private: uint32_t mModuleId; uint32_t mMsgId; uint32_t mIntervalInMilliSec; uint32_t mExpired; uint32_t mRepeatTimes; mutable uint32_t mRepeatCount; };
- 定时器任务管理(TimerManager)
class SprTimerManager : public SprObserver { public: virtual ~SprTimerManager(); int Init(); static SprTimerManager* GetInstance(ModuleIDType id, const std::string& name, std::shared_ptr<SprMediatorProxy> mediatorPtr, std::shared_ptr<SprSystemTimer> systemTimerPtr); private: SprTimerManager(ModuleIDType id, const std::string& name, std::shared_ptr<SprMediatorProxy> mediatorPtr, std::shared_ptr<SprSystemTimer> systemTimerPtr); int DeInit(); int InitSystemTimer(); int ProcessMsg(const SprMsg& msg) override; int PrintRealTime(); // -------------------------------------------------------------------------------------------- // - Module's timer book manager functions // -------------------------------------------------------------------------------------------- int AddTimer(uint32_t moduleId, uint32_t msgId, uint32_t repeatTimes, int32_t delayInMilliSec, int32_t intervalInMilliSec); int AddTimer(const SprTimer& timer); int DelTimer(const SprTimer& timer); int UpdateTimer(); int CheckTimer(); uint32_t NextExpireTimes(); // -------------------------------------------------------------------------------------------- // - Message handle functions // -------------------------------------------------------------------------------------------- void MsgRespondStartSystemTimer(const SprMsg &msg); void MsgRespondStopSystemTimer(const SprMsg &msg); void MsgRespondAddTimer(const SprMsg &msg); void MsgRespondDelTimer(const SprMsg &msg); void MsgRespondSystemTimerNotify(const SprMsg &msg); void MsgRespondClearTimersForExitComponent(const SprMsg &msg); private: bool mEnable; // Component init status std::set<SprTimer> mTimers; // sort by SprTimer.mExpired from smallest to largest std::shared_ptr<SprSystemTimer> mSystemTimerPtr; // SysTimer object };
TimerManager
中存储定时任务的容器用的std::set<Timer>，可以自定义按照时间戳从小到大排序，就不用自己实现二叉堆结构了。
如下是TimerManager中定时器触发的业务逻辑代码：
① 定时器触发后，从头遍历任务容器。
② 若当前任务已超时且任务未失效，通知定时器触发事件。将当前任务缓存至失效容器，若为重复定时器，更新时间戳，再次插入任务容器。
③ 若当前任务未到期（说明后续任务都未到期），退出容器遍历。与②互斥。
④ 从任务容器中，删除②中缓存的失效容器。
⑤ 当前任务容器若为空，停止系统定时器。
void SprTimerManager::MsgRespondSystemTimerNotify(const SprMsg &msg) { set<SprTimer> deleteTimers; // loop: Execute the triggered timers, timers are sorted by Expired value from smallest to largest for (auto it = mTimers.begin(); it != mTimers.end(); ++it) { if (it->IsExpired()) { if (it->GetRepeatTimes() == 0 || (it->GetRepeatCount() + 1) < it->GetRepeatTimes()) { SprTimer t(*it); // loop: update timer valid expired time uint32_t tmpExpired = t.GetExpired(); do { tmpExpired += t.GetIntervalInMilliSec(); t.RepeatCount(); } while (tmpExpired < it->GetTick()); if (it->GetRepeatTimes() == 0 || (it->GetRepeatCount() + 1) < it->GetRepeatTimes()) { t.SetExpired(tmpExpired); AddTimer(t); } } // Notify expired timer event to the book component SprMsg msg(it->GetModuleId(), it->GetMsgId()); NotifyObserver(msg); it->RepeatCount(); deleteTimers.insert(*it); } else { break; } } // Delete expired timers for (const auto& timer : deleteTimers) { DelTimer(timer); } // Set next system timer uint32_t msgId = mTimers.empty() ? SIG_ID_TIMER_STOP_SYSTEM_TIMER : SIG_ID_TIMER_START_SYSTEM_TIMER; SprMsg sysMsg(msgId); SendMsg(sysMsg); // SPR_LOGD("Current total timers size = %d\n", (int)mTimers.size()); }
测试
测试一个2s的定时器：
56 DebugCore D: msg id: SIG_ID_DEBUG_TIMER_TEST_2S 2024-03-03 19:26:16.586 56 DebugCore D: msg id: SIG_ID_DEBUG_TIMER_TEST_2S 2024-03-03 19:26:18.586 56 DebugCore D: msg id: SIG_ID_DEBUG_TIMER_TEST_2S 2024-03-03 19:26:20.586 56 DebugCore D: msg id: SIG_ID_DEBUG_TIMER_TEST_2S 2024-03-03 19:26:22.585
总结
- 对于定时器容器，本篇用到了
STL接口的std::set<Timer>容器，通过重载Timer运算符<，实现按照时间戳(mExpired)从小到大排序。 - 将定时器任务抽象处三个类，各自负责自己的业务，逻辑上更加清晰明了。
- 使用一个系统定时器资源，完成所有定时任务的响应。实现基础功能的同时，降低对系统定时资源的消耗。
