如何设计一个计数的时间窗口
时间窗口，通常对于一些实时信息展示中用得比较多，比如维持一个五分钟的交易明细时间窗口，就需要记录当前时间，到五分钟之前的所有交易明细，而五分钟之前的数据，则丢掉
一个简单的实现就是用一个队列来做，新的数据在对头添加；同时起一个线程，不断的询问队尾的数据是否过期，如果过期则丢掉
另外一中场景需要利用到这个时间窗口内的数据进行计算，如计算着五分钟交易中资金的流入流出总和，如果依然用上面的这种方式，会有什么问题？
- 如果时间窗口大，需要存储大量的明细数据
- 我们主要关心的只有资金流入流出；存这些明细数据得不偿失
- 每次新增or删除过期数据时，实时计算流入流出消耗性能
针对这种特殊的场景，是否有什么取巧的实现方式呢？
I. 方案设计
1. 基于队列的轮询删除方式
将时间窗口分割成一个一个的时间片，每个时间片中记录资金的流入流出总数，然后总的流入流出就是所有时间片的流入流出的和
新增数据：
- 若未跨时间片，则更新队头的值
- 若跨时间片，新增一个队列头
删除数据：
- 轮询任务，判断队列尾是否过期
- 队尾过期，则删除队尾，此时若队头数据未加入计算，也需要加入计算
2. 基于队列的新增时删除方式
相比较前面的轮询方式，这个的应用场景为另外一种，只有在新增数据时，确保数据的准确性即可，不需要轮询的任务去删除过期的数据
简单来说，某些场景下（比如能确保数据不会断续的进来，即每个时间片都至少有一个数据过来），此时希望我的时间窗口数据是由新增的数据来驱动并更新
新增数据：
- 未跨时间片，则更新队头值
- 跨时间片，新塞入一个，并删除旧的数据
II. 基于数组的时间窗口实现
针对上面第二种，基于数组给出一个简单的实现，本篇主要是给出一个基础的时间窗口的设计与实现方式，当然也需要有进阶的case，比如上面的资金流入流出中，我需要分别计算5min,10min,30min,1h,3h,6h,12h,24h的时间窗口，该怎么来实现呢？能否用一个队列就满足所有的时间窗口的计算呢？关于这些留待下一篇给出
1. 时间轮计算器
前面用队列的方式比较好理解，这里为什么用数组方式来实现？
- 固定长度，避免频繁的新增和删除对象
- 定位和更新数据方便
首先是需要实现一个时间轮计算器，根据传入的时间，获取需要删除的过期数据
@Data public class TimeWheelCalculate { private static final long START = 0; private int period; private int length; /** * 划分的时间片个数 */ private int cellNum; private void check() { if (length % period != 0) { throw new IllegalArgumentException( "length % period should be zero but not! now length: " + length + " period: " + period); } } public TimeWheelCalculate(int period, int length) { this.period = period; this.length = length; check(); this.cellNum = length / period; } public int calculateIndex(long time) { return (int) ((time - START) % length / period); } /** * 获取所有过期的时间片索引 * * @param lastInsertTime 上次更新时间轮的时间戳 * @param nowInsertTime 本次更新时间轮的时间戳 * @return */ public List<Integer> getExpireIndexes(long lastInsertTime, long nowInsertTime) { if (nowInsertTime - lastInsertTime >= length) { // 已经过了一轮，过去的数据全部丢掉 return null; } List<Integer> removeIndexList = new ArrayList<>(); int lastIndex = calculateIndex(lastInsertTime); int nowIndex = calculateIndex(nowInsertTime); if (lastIndex == nowIndex) { // 还没有跨过这个时间片，则不需要删除过期数据 return Collections.emptyList(); } else if (lastIndex < nowIndex) { for (int tmp = lastIndex; tmp < nowIndex; tmp++) { removeIndexList.add(tmp); } } else { for (int tmp = lastIndex; tmp < cellNum; tmp++) { removeIndexList.add(tmp); } for (int tmp = 0; tmp < nowIndex; tmp++) { removeIndexList.add(tmp); } } return removeIndexList; } } 复制代码
这个计算器的实现比较简单，首先是指定时间窗口的长度(length),时间片(period)，其主要提供两个方法
calculateIndex根据当前时间，确定过期的数据在数组的索引getExpireIndexes根据上次插入的时间，和当前插入的时间，计算两次插入时间之间，所有的过期数据索引
2. 时间轮容器
容器内保存的时间窗口下的数据，包括实时数据，和过去n个时间片的数组，其主要的核心就是在新增数据时，需要判断
- 若跨时间片，则删除过期数据，更新实时数据，更新总数
- 若未跨时间片，则直接更新实时数据即可
@Data public class TimeWheelContainer { private TimeWheelCalculate calculate; /** * 历史时间片计数，每个时间片对应其中的一个元素 */ private int[] counts; /** * 实时的时间片计数 */ private int realTimeCount; /** * 整个时间轮计数 */ private int timeWheelCount; private Long lastInsertTime; public TimeWheelContainer(TimeWheelCalculate calculate) { this.counts = new int[calculate.getCellNum()]; this.calculate = calculate; this.realTimeCount = 0; this.timeWheelCount = 0; this.lastInsertTime = null; } public void add(long now, int amount) { if (lastInsertTime == null) { realTimeCount = amount; lastInsertTime = now; return; } List<Integer> removeIndex = calculate.getExpireIndexes(lastInsertTime, now); if (removeIndex == null) { // 两者时间间隔超过一轮，则清空计数 realTimeCount = amount; lastInsertTime = now; timeWheelCount = 0; clear(); return; } if (removeIndex.isEmpty()) { // 没有跨过时间片，则只更新实时计数 realTimeCount += amount; lastInsertTime = now; return; } // 跨过了时间片，则需要在总数中删除过期的数据，并追加新的数据 for (int index : removeIndex) { timeWheelCount -= counts[index]; counts[index] = 0; } timeWheelCount += realTimeCount; counts[calculate.calculateIndex(lastInsertTime)] = realTimeCount; lastInsertTime = now; realTimeCount = amount; } private void clear() { for (int i = 0; i < counts.length; i++) { counts[i] = 0; } } } 复制代码
3. 测试
主要就是验证上面的实现有没有明显的问题，为什么是明显的问题？
- 深层次的bug在实际的使用中，更容易暴露
public class CountTimeWindow { public static void main(String[] args) { TimeWheelContainer timeWheelContainer = new TimeWheelContainer(new TimeWheelCalculate(2, 20)); timeWheelContainer.add(0, 1); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 0, "first"); timeWheelContainer.add(1, 1); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 0, "first"); timeWheelContainer.add(2, 1); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 2, "second"); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getCounts()[0] == 2, "second"); for (int i = 3; i < 20; i++) { timeWheelContainer.add(i, 1); System.out.println("add index: " + i + " count: " + timeWheelContainer.getTimeWheelCount()); } // 刚好一轮 timeWheelContainer.add(20, 3); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 20, "third"); timeWheelContainer.add(21, 3); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 20, "third"); // 减去过期的那个数据 timeWheelContainer.add(22, 3); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 26 - 2, "fourth"); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getCounts()[0] == 6, "fourth"); timeWheelContainer.add(26, 3); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 24 - 2 - 2 + 3, "fifth"); System.out.println(Arrays.toString(timeWheelContainer.getCounts())); timeWheelContainer.add(43, 3); System.out.println(Arrays.toString(timeWheelContainer.getCounts())); Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 6, "six"); } }
