🍏1.定时器的应用
定时器就像闹钟，可以设定一个时间，然后进入倒计时，到点了提醒我们。同样，应用开发也需要一个定时器，通过设定时间，到点了唤醒程序去执行某项任务。
常见的应用场景有： 1）心跳检测 2）游戏技能冷却 3）倒计时 4） 其他需要延时处理的功能
定时器由两部分组成：容器 + 检测触发机制 1）容器：负责组织大量定时任务 2）检测触发机制：负责检测最近要触发的定时任务
🍎2.定时器的触发方式
对服务端来说，驱动服务端业务逻辑的事件，包括：网络事件、定时事件、以及信号事件。 通常，网络事件和定时事件会进行协同处理。
定时器触发形式通常有两种： 1）利用I/O多路复用系统调用的最后一个参数（超时时间），来触发检测定时器。 2）利用timefd，将定时检测作为I/O多路复用当中的事件进行处理。
2.1 网络时间和定时事件在一个线程中处理
网络事件和定时事件可以进行协同处理，即网络事件和定时事件在一个线程中处理。以epoll多路复用器为例子，通过epoll_wait()的第四个参数timeout作为延时触发定时器，业务逻辑的执行也在同一个线程中。
// 网络事件和定时事件在一个线程中处理，协同处理
while (!quit) {
// 最近定时任务的触发时间 = 最近要被触任务的触发时间 - 当前时间
int timeout = get_nearest_timer() - now();
if (timeout < 0) timeout = -1; // 定时任务都过期
// 最近定时任务的触发时间作为 timeout 参数，timetout 定时任务触发
// 1、若没有网络事件，先去处理定时任务
// 2、若收到网络事件，先处理网络事件，再处理定时任务
int nevent = epoll_wait(epfd, ev, nev, timeout);
for (int i = 0; i < nevent; i++) {
// ... 处理网络事件
}
// 轮询处理定时事件
update_timer();
}1）为什么网络事件和定时事件可以协同处理？ 因为reactor是基于事件的网络IO模型，IO的处理是同步的，事件的处理是异步的，而定时任务的处理也是异步的，所以事件的处理和定时任务的处理可以在一个线程中一起处理。
2）如何进行协同处理？ 以 io 多路复用作为定时器驱动，“阻塞”地收集就绪事件，timeout 参数用于设置定时。
3）使用场景
redis（单reactor）
memcached、nginx（多reactor）
4）容器的数据结构 数据结构通常选择红黑树、跳表、最小堆等来实现定时器。
2.2 定时事件单独一个线程
定时任务在通过一个单独的线程检测，以 sleep(time)作为定时器驱动，time 参数用于设置定时。 定时器事件的处理由其他线程或运行队列执行。 这种触发方式通常用于处理大量定时任务。
// 网络事件和定时事件在不同线程中处理
void * thread_timer(void *thread_param) {
init_timer(); //初始化定时器
while (!quit) {
update_timer(); //更新定时器状态
sleep(t); //线程休眠时间t
}
clear_timer();
return NULL;
}
pthread_create(&pid, NULL, thread_timer, &thread_param);该代码创建了一个单独的线程来处理定时事件。在循环中，定时器状态会被更新，并根据需要触发相应的事件。通过调用 sleep 函数，线程可以暂停一段时间，等待下一个定时事件的到来。最后，在线程结束时，定时器资源将被清理和释放。
1）数据结构 使用时间轮数据结构，在一个线程中利用sleep(time)负责检测（time要小于最小时间精度）。时间到达时，通过信号或插入运行队列让其他线程运行业务逻辑。 时间轮只负责检测。这种方式加锁粒度小。
🍌2. 定时器的设计
2.1 接口设计
基础接口有 1）初始化定时器 2）添加定时器 —— 添加定时任务 3）删除定时器 —— 删除定时任务 4）更新定时器 —— 到期任务的处理 另外，在协同处理的方案中，即网络事件和定时事件在一个线程中处理的触发方式。此时还需要额外添加接口，来查找最近定时任务的触发时间。 5）查找最近定时任务的触发时间
// 初始化定时器
void init_timer();
// 定时器的添加
Node* add_timer(int expire, callback cb);
// 定时器的删除
bool del_timer(Node* node);
// 定时器的更新
void update_timer();
// 返回最近定时任务的触发时间，用于协同处理
Node* find_nearest_timer();2.2 数据结构设计
对定时任务的组织本质是要对定时任务优先级的处理。所谓优先级，就是先触发的定时任务放在最前面。由此产生两类数据结构； 1）按触发时间进行顺序组织，要求数据结构有序，或者相对有序。并且，能快速查找最近触发的定时任务，以及需要考虑怎么处理相同时间触发的定时任务。
红黑树（绝对有序）: nginx
跳表（绝对有序）：redis（将来引入）
最小堆（相对有序）: libevent, libev, go 2）按照执行顺序组织：时间轮
2.2.1 红黑树
红黑树的中序遍历是绝对有序的 
2.2.2 最小堆
了解最小堆之前，需要先介绍满二叉树和完全二叉树 1）满二叉树：所有的层节点数都是该层所能容纳节点的最大数量，即满足2^n
2）完全二叉树：若二叉树的深度为h，去掉了h层的节点，就是一个满二叉树；并且h层都集中在最左侧排序。 
3）最小堆： 是一颗完全二叉树； 某一个节点的值总是小于等于它的子节点的值； 堆中任意一个节点的子树都是最小堆；
4）最小堆添加节点 为了满足完全二叉树的定义，往二叉树最高层沿着最左侧添加一个节点；然后考虑是否能上升操作； 如果此时添加值为 4 的节点，4 节点是 5 节点的左子树；4 比 5 小，4 和 5 需要交换值； 
5）最小堆删除节点 删除操作需要先查找是否包含这个节点；确定存在后，交换最后一个节点，先考虑能否执行下降操作，否则执行上升操作；最后删除最后一个节点； 例如：删除 1 号节点，则需要下沉操作；
删除9号节点，则需要上升操作； 
2.2.4 时间轮
时间轮是根据时钟运行规律而来的。时间精度为1s。时间范围为12h。定义三个数组分别存秒、分、时； 一个指针一秒钟移动一次，只需关注最近一分钟内要触发的定时任务 
1）添加任务 根据定时任务的间隔时间time，判断将其放在哪一层。 比如当前时间tick是65s，即秒针指向5，分针指向1。 现在要添加间隔时间112s的定时任务。那么根据((65+112)/60)%60 = 2，得到该任务添加在分针层级2的任务队列里。
2）重新映射 我们给出的时间轮的时间精度是秒，也就是只执行秒层的任务。所以秒针每转一圈，需要把下一分钟的任务重新映射到秒层。比如原来分针指向1，秒针转了一圈，下一轮需要把分针2里的任务，重新映射到秒层。
比如，原来添加的任务，过了55s后，当前时间120s。(65+112-120)%60 = 57，也就是刚才添加的任务映射在秒层57的位置。
3）删除节点 时间轮删除节点不方便，一般节点不能删除，因为tick一直在移动，会出现重新映射，节点位置可能改变。 那么可以添加一个标记字段cancel，当任务触发时检查这个字段，如果cancel=true则不执行具体任务。
🍅3.利用红黑树实现定时器
3.1 数据结构
在C++中，set、map、multiset、multimap容器使用的是红黑树管理数据。这里选择 set来存储定时器任务。
使用set设计定时器，需要考虑一个关键问题：相同触发事件的定时任务如何处理？
举个例子，任务A到来时的时间 tick = 10，间隔 10s 后触发执行，其触发时间 expire = 20s ；任务B到来时的时间 tick = 15s，间隔 5s 后触发执行，其触发时间也是 expire = 20s。那到点了，应该先执行哪个任务呢？
我们根据插入顺序来决定执行顺序，先插入的先执行，放在红黑树的zuoce。后插入的后执行，放在红黑树的youce。通过 id 属性描述任务到来的先后顺序。
因此定时器结点的结构为
// 定义定时结点的基类，存储唯一标识的元素
struct TimerNodeBase {
time_t expire; // 任务触发时间
int64_t id; // 用来描述插入先后顺序
};
// 定时结点，包含定时任务等
struct TimerNode : public TimerNodeBase {
// 定时器任务回调函数
// C++ 11特性，使用函数对象。降低拷贝消耗，提高效率
// 使用 using 关键字定义了一个 Callback 类型的别名，
// 别名指向一个接受 const TimerNode &node 参数、返回值为 void 的函数对象。
using Callback = std::function<void(const TimerNode &node)>;
Callback func;
// 构造函数，容器内部只构造一次
TimerNode(int64_t id, time_t expire, Callback func) : func(func) {
this->expire = expire;
this->id = id;
}
};在代码中，我们把函数对象剥离出来。这是因为红黑树在改变的时候，为了保持平衡，需要频繁的对比。而对比就涉及到复制、移动等操作。注意到，对比我们只需要对比触发时间和id，不需要函数对象。 函数对象作为类，占用大量的空间，复制和移动代价高，因此，我们拆分成基类和派生类，基类存储标识，用于复制和移动；子类存储函数对象等，在容器内构造后，不再复制和移动。
因此，实现比较函数，采用基类引用比较。
// 按触发时间的先后顺序对结点进行排序
bool operator < (const TimerNodeBase &lhd, const TimerNodeBase &rhd) {
// 先比较触发时间
if (lhd.expire < rhd.expire)
return true;
else if (lhd.expire > rhd.expire)
return false;
// 触发时间相同，比较插入的先后顺序
// 比较id大小，先插入的结点id小，先执行
return lhd.id < rhd.id;
}3.2接口实现
3.2.1 初始化定时器
获取当前时间
static time_t GetTick() {
auto sc = chrono::time_point_cast<chrono::milliseconds>(chrono::steady_clock::now());
auto temp = chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(sc.time_since_epoch());
return temp.count();
}1）chrono::steady_clock::now()：获取系统启动到当前的稳定时间。 2）chrono::time_point_castchrono::milliseconds(chrono::steady_clock::now())：将当前的稳定时钟时间点转换为毫秒精度的时间点（time_point）。 3）sc.time_since_epoch()：计算时间间隔（duration）。 4）chrono::duration_castchrono::milliseconds(sc.time_since_epoch())：将计算得到的时间间隔转换为毫秒精度（milliseconds）。 5）temp.count()：获取转换后的时间间隔的值，即毫秒数。
3.2.2 添加定时器
// 参数： msec 任务触发时间间隔，func 任务执行的回调函数
TimerNodeBase AddTimer(time_t msec, TimerNode::Callback func) {
time_t expire = GetTick() + msec;
// 相对于insert，emplace 避免了额外的拷贝或移动操作
auto ele = timermap.emplace(GenID(), expire, func);
return static_cast<TimerNodeBase>(*ele.first);
}上面代码每次插入，需要根据红黑树的插入，重新调整set容器。其实红黑树是有序的，如果是插入一个大于红黑树最右边结点的元素，直接在这个结点，也就是容器末尾插入即可，时间复杂度O(1)。
TimerNodeBase AddTimer(time_t msec, TimerNode::Callback func) {
time_t expire = GetTick() + msec;
// 如果timermap为空，或者触发时间<=timermap的最后一个（最大的）结点的时间，正常插入
if (timermap.empty() || expire <= timermap.crbegin()->expire){
auto pairs = timermap.emplace(GenID(), expire, std::move(func));
return static_cast<TimerNodeBase>(*pairs.first);
}
// 否则直接插入最后，emplace_hint插入时间复杂度是O(1)
auto ele = timermap.emplace_hint(timermap.crbegin().base(), GenID(), expire, std::move(func));
return static_cast<TimerNodeBase>(*ele);
}3.2.3 删除定时器
bool DelTimer(TimerNodeBase &node) {
// 代替子类结点，避免函数对象复制控制和移动
auto iter = timermap.find(node);
// 若存在，则删除该结点
if (iter != timermap.end()) {
timermap.erase(iter);
return true;
}
return false;
}3.2.4 更新定时器
bool CheckTimer() {
auto iter = timermap.begin();
if (iter != timermap.end() && iter->expire <= GetTick()) {
// 定时任务被触发，则执行对应的定时任务
iter->func(*iter);
// 删除执行完毕的定时任务
timermap.erase(iter);
return true;
}
return false;
}3.2.5 返回最近定时任务的触发时间
time_t TimeToSleep() {
auto iter = timermap.begin();
if (iter == timermap.end()) {
return -1;
}
// 最近任务的触发时间 = 最近任务初始设置的触发时间 - 当前时间
time_t diss = iter->expire - GetTick();
// 最近要触发的任务时间 > 0，继续等待；= 0，立即处理任务 (对应epoll_wait 的 timeout)
return diss > 0 ? diss : 0;
}3.3 定时器的驱动
定时器驱动的方式，这里选择epoll来实现，通过参数timeout设置定时
while (true) {
// 最近任务的触发时间接口：TimeToSlee，作为 timeout 参数
int n = epoll_wait(epfd, ev, 64, timer->TimeToSleep());
for (int i = 0; i < n; i++) {
/* 处理网络事件 */
}
// 处理定时事件
while(timer->CheckTimer());
}🍒3.4 代码实现
// g++ timer.cc -o timer -std=c++14
#include <sys/epoll.h>
#include <functional>
#include <chrono>
#include <set>
#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
// 定时结点的基类，存储唯一标识的元素，轻量级，用于比较
struct TimerNodeBase {
time_t expire; // 任务触发时间
int64_t id; // 用来描述插入先后顺序，int64_t，能记录5000多年
};
// 定时结点，包含定时任务等
struct TimerNode : public TimerNodeBase {
// 定时器任务回调函数
// 函数对象拷贝代价高，在容器内拷贝构造后不会再去移动
using Callback = std::function<void(const TimerNode &node)>;
Callback func;
// 构造函数，容器内部就地拷贝构造调用一次，此后不会再去调用
TimerNode(int64_t id, time_t expire, Callback func) : func(func) {
this->expire = expire;
this->id = id;
}
};
// 根据触发时间对结点进行排序
// 基类引用，多态特性，基类代替timerNode结点，避免拷贝构造子类
bool operator < (const TimerNodeBase &lhd, const TimerNodeBase &rhd) {
// 先比较触发时间
if (lhd.expire < rhd.expire)
return true;
else if (lhd.expire > rhd.expire)
return false;
// 触发时间相同，比较插入的先后顺序
// 比较id大小，先插入的结点id小，先执行
return lhd.id < rhd.id;
}
// 定时器类的实现
class Timer {
public:
// 获取当前时间
static time_t GetTick() {
// 获取系统时间戳，系统启动到当前的时间
auto sc = chrono::time_point_cast<chrono::milliseconds>(chrono::steady_clock::now());
// 获取到时间戳的时间段
auto temp = chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(sc.time_since_epoch());
return temp.count();
}
// 2、添加定时任务
// 参数： msec 任务触发时间间隔，func 任务执行的回调函数
TimerNodeBase AddTimer(time_t msec, TimerNode::Callback func) {
time_t expire = GetTick() + msec;
// 如果timermap为空，或者触发时间<=timermap的最后一个（最大的）结点的时间，正常插入
if (timermap.empty() || expire <= timermap.crbegin()->expire){
auto pairs = timermap.emplace(GenID(), expire, std::move(func));
return static_cast<TimerNodeBase>(*pairs.first);
}
// 否则直接插入最后，emplace_hint插入时间复杂度是O(1)
auto ele = timermap.emplace_hint(timermap.crbegin().base(), GenID(), expire, std::move(func));
return static_cast<TimerNodeBase>(*ele);
}
// 3、删除/取消定时任务
bool DelTimer(TimerNodeBase &node) {
// C++14的新特性：只需传递等价 key 比较，无需创建 key 对象比较，
// 代替子类结点，避免函数对象复制控制和移动
auto iter = timermap.find(node);
// 若存在，则删除该结点
if (iter != timermap.end()) {
timermap.erase(iter);
return true;
}
return false;
}
// 4、检测定时任务是否被触发，触发则执行定时任务
bool CheckTimer() {
auto iter = timermap.begin();
if (iter != timermap.end() && iter->expire <= GetTick()) {
// 定时任务被触发，则执行对应的定时任务
iter->func(*iter);
// 删除执行完毕的定时任务
timermap.erase(iter);
return true;
}
return false;
}
// 5、返回最近定时任务触发时间，作为timeout的参数
time_t TimeToSleep() {
auto iter = timermap.begin();
if (iter == timermap.end()) {
return -1;
}
// 最近任务的触发时间 = 最近任务初始设置的触发时间 - 当前时间
time_t diss = iter->expire - GetTick();
// 最近要触发的任务时间 > 0，继续等待；= 0，立即处理任务
return diss > 0 ? diss : 0;
}
private:
// 产生 id 的方法
static int64_t GenID() {
return gid++;
}
static int64_t gid;
// 利用 set 排序快速查找要到期的任务
set<TimerNode, std::less<>> timermap;
};
int64_t Timer::gid = 0;
int main() {
// 定时器驱动
int epfd = epoll_create(1);
// 创建定时器
unique_ptr<Timer> timer = make_unique<Timer>();
int i = 0;
timer->AddTimer(1000, [&](const TimerNode &node) {
cout << Timer::GetTick() << "node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;
});
timer->AddTimer(1000, [&](const TimerNode &node) {
cout << Timer::GetTick() << "node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;
});
timer->AddTimer(3000, [&](const TimerNode &node) {
cout << Timer::GetTick() << "node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;
});
auto node = timer->AddTimer(2100, [&](const TimerNode &node) {
cout << Timer::GetTick() << "node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;
});
timer->DelTimer(node);
cout << "now time:" << Timer::GetTick() << endl;
epoll_event ev[64] = {0};
while (true) {
// 最近任务的触发时间接口：TimeToSlee，作为 timeout 参数
int n = epoll_wait(epfd, ev, 64, timer->TimeToSleep());
for (int i = 0; i < n; i++) {
/*... 处理网络事件 ...*/
}
// 处理定时事件
while(timer->CheckTimer());
}
return 0;
}🥑4. 利用timefd实现定时器
timefd实现方式跟红黑树很相似，主要区别在于驱动方式。
4.1 流程
1）创建一个 timerfd 文件描述符。可以使用 timerfd_create 函数来创建它。
2）设置定时器参数。构建一个 struct itimerspec 结构体，指定定时器的起始时间和间隔时间。
3）使用 timerfd_settime 函数将定时器参数应用到 timerfd 文件描述符上
4）等待定时器事件触发。可以使用 select、poll、epoll 等函数来等待文件描述符上的可读事件。当定时器事件触发，timerfd 文件描述符会变为可读，你可以在相应的事件处理逻辑中进行处理。
5）当不再需要定时器时，关闭 timerfd 文件描述符。使用 close 函数来关闭它。
4.2 代码实现
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/timerfd.h>
#include <time.h> // for timespec itimerspec
#include <unistd.h> // for close
#include <functional>
#include <chrono>
#include <set>
#include <memory>
#include <iostream>
using namespace std;
struct TimerNodeBase {
time_t expire;
uint64_t id;
};
struct TimerNode : public TimerNodeBase {
using Callback = std::function<void(const TimerNode &node)>;
Callback func;
TimerNode(int64_t id, time_t expire, Callback func) : func(func) {
this->expire = expire;
this->id = id;
}
};
bool operator < (const TimerNodeBase &lhd, const TimerNodeBase &rhd) {
if (lhd.expire < rhd.expire) {
return true;
} else if (lhd.expire > rhd.expire) {
return false;
} else return lhd.id < rhd.id;
}
class Timer {
public:
static inline time_t GetTick() {
return chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(chrono::steady_clock::now().time_since_epoch()).count();
}
TimerNodeBase AddTimer(int msec, TimerNode::Callback func) {
time_t expire = GetTick() + msec;
if (timeouts.empty() || expire <= timeouts.crbegin()->expire) {
auto pairs = timeouts.emplace(GenID(), expire, std::move(func));
return static_cast<TimerNodeBase>(*pairs.first);
}
auto ele = timeouts.emplace_hint(timeouts.crbegin().base(), GenID(), expire, std::move(func));
return static_cast<TimerNodeBase>(*ele);
}
void DelTimer(TimerNodeBase &node) {
auto iter = timeouts.find(node);
if (iter != timeouts.end())
timeouts.erase(iter);
}
void HandleTimer(time_t now) {
auto iter = timeouts.begin();
while (iter != timeouts.end() && iter->expire <= now) {
iter->func(*iter);
iter = timeouts.erase(iter);
}
}
public:
virtual void UpdateTimerfd(const int fd) {
struct timespec abstime;
// 获取最小触发时间
auto iter = timeouts.begin();
if (iter != timeouts.end()) {
abstime.tv_sec = iter->expire / 1000;
abstime.tv_nsec = (iter->expire % 1000) * 1000000;
} else {
abstime.tv_sec = 0;
abstime.tv_nsec = 0;
}
struct itimerspec its = {
.it_interval = {},
.it_value = abstime
};
// 通过文件描述符 fd 设置定时器的参数
timerfd_settime(fd, TFD_TIMER_ABSTIME, &its, nullptr);
}
private:
static inline uint64_t GenID() {
return gid++;
}
static uint64_t gid;
set<TimerNode, std::less<>> timeouts;
};
uint64_t Timer::gid = 0;
int main() {
int epfd = epoll_create(1);
// 创建一个定时器文件描述符
int timerfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);
struct epoll_event ev = {.events=EPOLLIN | EPOLLET};
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, timerfd, &ev);
unique_ptr<Timer> timer = make_unique<Timer>();
int i = 0;
timer->AddTimer(1000, [&](const TimerNode &node) {
cout << Timer::GetTick() << " node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;
});
timer->AddTimer(1000, [&](const TimerNode &node) {
cout << Timer::GetTick() << " node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;
});
timer->AddTimer(3000, [&](const TimerNode &node) {
cout << Timer::GetTick() << " node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;
});
auto node = timer->AddTimer(2100, [&](const TimerNode &node) {
cout << Timer::GetTick() << " node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;
});
timer->DelTimer(node);
cout << "now time:" << Timer::GetTick() << endl;
struct epoll_event evs[64] = {0};
while (true) {
//设置定时器的参数
timer->UpdateTimerfd(timerfd);
int n = epoll_wait(epfd, evs, 64, -1);
time_t now = Timer::GetTick();
for (int i = 0; i < n; i++) {
// for network event handle
}
timer->HandleTimer(now);
}
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, timerfd, &ev);
close(timerfd);
close(epfd);
return 0;
}🫑5. 利用多级时间轮实现定时器
时间轮 timewheel 是一个环形结构，使用 hash + list 实现。高层级的每一个格子，存储底层级的一个list。
根据轮子的类型，可以分为主动轮（层级1）和从动轮。
主动轮：当刻度指针指向当前槽的时候，槽内的任务被顺序执行。
从动轮：当对应轮的刻度指针指向当前槽位的时候，槽内的任务链依次向低级轮（序号较高的轮）转移，从动轮没有执行任务权限，只是对任务进行记录与缓存。 以 skynet 为例，skynet 作为单 reactor模型，适用于 cpu 密集型的场景。timer 由 timer 线程
5.1 数据结构
如上图，定义了5个链表数组，每个数组里包含多个定时器链表，near 数组大小为256 = 2^8 ，其余数组大小为64 = 2^8，表示的时间范围 2^32。
我们只关注主动轮near数组，因为里面的任务是最近要触发执行的。
注意到2^32 − 1 刚好是uint32_t的最大值。因此我们只需要一个time指针，就可以根据位运算，得到任务触发时间在各层级的位置。当 time 溢出时，32位无符号循环，再次从0开始计数。 
举个例子，如果触发时间是562568，对应二进制是100010 010101 10001000。near位的十进制是136，t[0]位的十进制是41，t[1]位的十进制是67。
1）定时器的结构
typedef struct timer {
link_list_t near[TIME_NEAR]; // 最低级的时间轮，主动轮
link_list_t t[4][TIME_LEVEL]; // 其他层级的时间轮，从动轮
struct spinlock lock; // 自旋锁，O(1)
uint32_t time; // tick 指针，当前时间片
uint64_t current; // 从系统开始时刻到现在的时长，timer运行时间，时间精度10ms
uint64_t current_point; // 系统启动时长，时间精度10ms
}s_timer_t;2）任务结点的设计 任务结点使用链表存储，链表中存储同一时间触发的任务结点
struct timer_node {
struct timer_node *next; // 指向的下一个任务
uint32_t expire; // 任务触发时间
handler_pt callback; // 任务回调函数
uint8_t cancel; // 删除任务的标记，取消任务的执行
int id; // 执行该任务的线程 id
};5.2 接口设计
5.2.1 初始化定时器
// 初始化定时器
void init_timer(void) {
TI = timer_create_timer(); // 创建定时器
TI->current_point = gettime(); // 获取系统当前运行时间
}
// 创建定时器
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;
// 创建主动轮，最低级时间轮
for (i = 0; i < TIME_NEAR; ++i) {
//清除指定链表，并返回指向链表的第一个节点的指针
link_clear(&r->near[i]);
}
// 创建从动轮，高层级时间轮
for (i = 0; i < 4; ++i) {
for (j = 0;j < TIME_LEVEL; ++j) {
link_clear(&r->t[i][j]);
}
}
// 初始化自旋锁
spinlock_init(&r->lock);
r->current = 0;
return r;
}
// 获得从系统启动开始计时的时间，不受系统时间被用户改变的影响，精确到1/100秒
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); // CLOCK_MONOTONIC
t = (uint64_t)ti.tv_sec * 1000;
t += ti.tv_nsec / 1000000;
#else
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
t = (uint64_t)tv.tv_sec * 100;
t += tv.tv_usec / 10000;
#endif
return t;
}5.2.2 添加定时器
32位无符号整数time记录时间片分别对应数组near[256]和t4，每次添加节点时，如果expire - time < 256则将节点添加到near数组对应元素的链表中，否则从高位往低位依次比较expire的第i个6位二进制的值n与time的第i个6位二进制的值m，哪个不相等则将节点添加到数组t4-i对应的元素链表中） 具体来说：
首先检查节点的expire与time的高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expire与time的高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，如果不相等则进行下一步。
检查expire与time的高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expire与time的高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
先看一下位操作： 1 << n：表示将二进制数 1 向左移动 n 位，即 2^n。 (time>>TIME_NEAR_SHIFT) & TIME_LEVEL_MASK)：表示time右移8位，然后与TIME_LEVEL_MASK相与，得到的是t[0]处的位置。
// 添加任务结点到定时器中
// 根据 msec 判断结点应该放入时间轮的层级
void add_node(s_timer_t *T, timer_node_t *node) {
uint32_t time = node->expire; // 过期时间
uint32_t current_time=T->time; // 当前时间
uint32_t msec = time - current_time; // 剩余时间
//根据 expire-time 的差值将结点放入相应的层级
//[0, 2^8)
if (msec < TIME_NEAR) {
link(&T->near[time&TIME_NEAR_MASK],node);
}
//[2^8, 2^14)
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT+TIME_LEVEL_SHIFT))) {
link(&T->t[0][((time>>TIME_NEAR_SHIFT) & TIME_LEVEL_MASK)],node);
}
//[2^14, 2^20)
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT+2*TIME_LEVEL_SHIFT))) {
link(&T->t[1][((time>>(TIME_NEAR_SHIFT + TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)],node);
}
//[2^20, 2^26)
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT+3*TIME_LEVEL_SHIFT))) {
link(&T->t[2][((time>>(TIME_NEAR_SHIFT + 2*TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)],node);
}
//[2^26, 2^32)
else {
link(&T->t[3][((time>>(TIME_NEAR_SHIFT + 3*TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)],node);
}
}
// 添加定时任务
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);
// 设置定时任务结点的属性
node->expire = time + TI->time; // 添加触发时间 = 触发时间间隔 + 当前时间
node->callback = func; // 添加任务回调函数
node->id = threadid; // 添加执行该任务的线程id
// 判断是否需要立即执行任务
if (time <= 0) {
spinlock_unlock(&TI->lock);
node->callback(node);
free(node);
return NULL;
}
// 添加任务结点到定时器中
add_node(TI, node);
spinlock_unlock(&TI->lock);
return node;
}5.2.3 删除定时器
由于结点位置可能发生变化（重新映射），不能找到任务结点的位置，无法删除。 在结点中添加一个 cancel 字段，任务触发碰到该标记则不执行任务，之后统一释放空间。
void del_timer(timer_node_t *node) {
node->cancel = 1;
}5.2.4 更新定时器
主要包括对到期任务的处理和对从动轮任务（time高24位对应的链表）的重新映射
void timer_update(s_timer_t *T) {
spinlock_lock(&T->lock);
// shift time first, and then dispatch timer message
timer_execute(T); //检查当前的时间片的低8位对应的数组元素的链表是否为空，不为空则取出
// shift time first, and then dispatch timer message
timer_shift(T); //检查当前的时间片的低8位对应的数组元素的链表是否为空，不为空则取出
// 若发生重新映射，若time的指向有任务，则需要执行
timer_execute(T);
spinlock_unlock(&T->lock);
}5.2.5 到期任务的处理
以当前 tick 值的低8位作为索引，取出 near 数组中对应的 list。list 里面包含了所有在该 tick 到期的定时器任务
//检查当前的时间片的低8位对应的数组元素的链表是否为空，不为空则取出
void timer_execute(s_timer_t *T) {
// 取出time低8位对应的索引值
int idx = T->time & TIME_NEAR_MASK;
// 如果低8位值对应的near数组元素有链表，则取出
while (T->near[idx].head.next) {
// 取出对应的定时器list
timer_node_t *current = link_clear(&T->near[idx]);
spinlock_unlock(&T->lock);
// 将链表各结点的任务派发出去
dispatch_list(current);
spinlock_lock(&T->lock);
}
}
// 任务派发
void dispatch_list(timer_node_t *current) {
do {
timer_node_t *temp = current;
current=current->next;
// cancel 标记为0，执行任务回调函数；否则，不执行任务回调
if (temp->cancel == 0)
temp->callback(temp);
free(temp);
} while (current);
}5.2.6 刷新时间片，重新映射
只有主动轮的结点要执行，从动轮只是存储结点，主动轮结点执行完后，需要从动轮补充。 具体操作是
检查time是否溢出，如果溢出则将t3这个链表取出并依次将该链表中的节点添加（即实现该链表的移动操作），如果time未溢出，则进行下一步。
检查time低8位是否溢出产生进位，没有则结束，有则检查time的低第9位到第14位是否产生溢出，没有则将time的低第9位到第14位对应的值对应数组t[0]中的链表取出，并依次将该链表中的节点添加（即实现该链表的移动操作），如果有溢出，则进行下一步。
检查time低14位是否溢出产生进位，没有则结束，有则检查time的低第15位到第20位是否产生溢出，没有则将time的低第15位到第20位对应的值对应数组t[1]中的链表取出，并依次将该链表中的节点添加（即实现该链表的移动操作），如果有溢出，则进行下一步。
检查time低20位是否溢出产生进位，没有则结束，有则检查time的低第21位到第26位是否产生溢出，没有则将time的低第21位到第26位对应的值对应数组t[2]中的链表取出，并依次将该链表中的节点添加（即实现该链表的移动操作），如果有溢出，则进行下一步。
检查time低26位是否溢出产生进位，没有则结束，有则检查time的低第27位到第32位是否产生溢出，没有则将time的低第27位到第32位对应的值对应数组t[3]中的链表取出，并依次将该链表中的节点添加（即实现该链表的移动操作）。
所谓溢出，就是移动一轮了，就跟秒针转动一圈，重新计数一样。重新计数，分针也需要移动。也就是主动轮移动一轮，现在要移动下一轮，此时需要把从动轮的任务映射过去。 比如。低八位11111111对应是255，加1就是1 00000000对应是256，低八位都是0溢出。
// 重新映射，判断是否需要重新映射
// 时间片time自加1，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
void timer_shift(s_timer_t *T) {
int mask = TIME_NEAR;
// 时间片+1
uint32_t ct = ++T->time;
// 时间片溢出，无符号整数，循环，time重置0
if (ct == 0) {
// 将对应的t[3][0]链表取出，重新移动到定时器中
move_list(T, 3, 0);
}
else {
// ct右移8位，进入到从动轮
uint32_t time = ct >> TIME_NEAR_SHIFT;
// 第 i 层时间轮
int i = 0;
// 判断是否需要重新映射？
// 即循环判断当前层级对应的数位是否全0，即溢出产生进位
while ((ct & (mask-1))==0) {
// 取当前层级的索引值
int idx = time & TIME_LEVEL_MASK;
// idx=0 说明当前层级溢出，继续循环判断直至当前层级不溢出
if (idx != 0) {
// 将对应的t[i][idx]链表取出，依次移动到定时器中
move_list(T, i, idx);
break;
}
mask <<= TIME_LEVEL_SHIFT; // mask 右移
time >>= TIME_LEVEL_SHIFT; // time 左移
++i; // 时间轮层级增加
}
}
}5.3 定时器的驱动
// timer 线程中，每过1/4时间精度，即2.5ms，执行一次定时器的检测
while (!ctx.quit) {
expire_timer();
usleep(2500);
}刷新定时器，每过1/4时间精度执行一次
// 原因是 dispatch 分发任务花费时间，影响精度
void expire_timer(void) {
// 获取当前系统运行时间，不受用户的影响
uint64_t cp = gettime();
// 当前系统启动时间与定时器记录的系统启动时间不相等
if (cp != TI->current_point) {
// 获取上述两者的差值
uint32_t diff = (uint32_t)(cp - TI->current_point);
// 更新定时器记录的系统运行时间
TI->current_point = cp;
// 更新timer的运行时间
TI->current += diff;
// 更新定时器的时间(time的值)，并执行对应的过期任务
int i;
for (i=0; i<diff; i++) {
// 每执行一次timer_update，其内部的函数
// timer_shift: time+1，time代表从timer启动后至今一共经历了多少次tick
// timer_execute: 执行near中的定时器
timer_update(TI);
}
}
}🥒5.4 代码实现
1）timer_wheel.h
#ifndef _MARK_TIMEWHEEL_
#define _MARK_TIMEWHEEL_
#include <stdint.h>
#define TIME_NEAR_SHIFT 8
#define TIME_NEAR (1 << TIME_NEAR_SHIFT) // 1 << 8 表示将二进制数 1 向左移动 8 位，即 2^8 = 256
#define TIME_LEVEL_SHIFT 6
#define TIME_LEVEL (1 << TIME_LEVEL_SHIFT) // 1 << 6 表示将二进制数 1 向左移动 6 位，即 2^6 = 64
#define TIME_NEAR_MASK (TIME_NEAR-1) // 255
#define TIME_LEVEL_MASK (TIME_LEVEL-1) // 63
typedef struct timer_node timer_node_t;
typedef void (*handler_pt) (struct timer_node *node);
// 任务结点
struct timer_node {
struct timer_node *next; // 相同过期时间的待执行的下一个任务
uint32_t expire; // 任务过期时间
handler_pt callback; // 任务回调函数
uint8_t cancel; // 删除任务，遇到该标记则取消任务的执行
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();
#endif
2）timer_wheel.c
// timer_wheel.c
#include "spinlock.h"
#include "timewheel.h"
#include <string.h>
#include <stddef.h>
#include <stdlib.h>
#if defined(__APPLE__)
#include <AvailabilityMacros.h>
#include <sys/time.h>
#include <mach/task.h>
#include <mach/mach.h>
#else
#include <time.h>
#endif
typedef struct link_list {
timer_node_t head;
timer_node_t *tail;
}link_list_t;
// 定时器的数据结构
typedef struct timer {
link_list_t near[TIME_NEAR]; // 最低级的时间轮，主动轮
link_list_t t[4][TIME_LEVEL]; // 其他层级的时间轮，从动轮
struct spinlock lock; // 自旋锁，O(1)
uint32_t time; // tick 指针，当前时间片
uint64_t current; // timer运行时间，精度10ms
uint64_t current_point; // 系统运行时间，精度10ms
}s_timer_t;
static s_timer_t * TI = NULL;
// 清空链表
// 并返回指向链表的第一个结点的指针
timer_node_t* link_clear(link_list_t *list) {
// 指向头指针的下一个位置
timer_node_t * ret = list->head.next;
// 头结点断链
list->head.next = 0;
// 尾指针指向头结点
list->tail = &(list->head);
return ret;
}
// 尾插法
void link(link_list_t *list, timer_node_t *node) {
list->tail->next = node;
list->tail = node;
node->next=0;
}
// 添加任务结点到定时器中
// 根据 time 判断结点应该放入时间轮的层级
void add_node(s_timer_t *T, timer_node_t *node) {
uint32_t time = node->expire; // 过期时间
uint32_t current_time=T->time; // 当前时间
uint32_t msec = time - current_time; // 剩余时间
//根据 expire-time 的差值将结点放入相应的层级
//[0, 2^8)
if (msec < TIME_NEAR) {
link(&T->near[time&TIME_NEAR_MASK],node);
}
//[2^8, 2^14)
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT+TIME_LEVEL_SHIFT))) {
link(&T->t[0][((time>>TIME_NEAR_SHIFT) & TIME_LEVEL_MASK)],node);
}
//[2^14, 2^20)
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT+2*TIME_LEVEL_SHIFT))) {
link(&T->t[1][((time>>(TIME_NEAR_SHIFT + TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)],node);
}
//[2^20, 2^26)
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT+3*TIME_LEVEL_SHIFT))) {
link(&T->t[2][((time>>(TIME_NEAR_SHIFT + 2*TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)],node);
}
//[2^26, 2^32)
else {
link(&T->t[3][((time>>(TIME_NEAR_SHIFT + 3*TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)],node);
}
}
// 添加定时任务
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);
// 设置定时任务结点的属性
node->expire = time + TI->time; // 添加任务触发时间 expire = time + tick
node->callback = func; // 添加任务回调函数
node->id = threadid; // 添加执行该任务的线程id
// 判断是否需要立即执行任务
if (time <= 0) {
spinlock_unlock(&TI->lock);
node->callback(node);
free(node);
return NULL;
}
// 添加任务结点到定时器中
add_node(TI, node);
spinlock_unlock(&TI->lock);
return node;
}
// 移动链表
// 第level层第idx个位置的链表结点重新添加到定时器T中
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;
}
}
// 重新映射，判断是否需要重新映射
// 时间片time自加1，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
void timer_shift(s_timer_t *T) {
int mask = TIME_NEAR;
// 时间片+1
uint32_t ct = ++T->time;
// 时间片溢出，无符号整数，循环，time重置0
if (ct == 0) {
// 将对应的t[3][0]链表取出，重新移动到定时器中
move_list(T, 3, 0);
}
else {
// ct右移8位，进入到从动轮
uint32_t time = ct >> TIME_NEAR_SHIFT;
// 第 i 层时间轮
int i = 0;
// 判断是否需要重新映射？
// 即循环判断当前层级对应的数位是否全0，即溢出产生进位
while ((ct & (mask-1))==0) {
// 取当前层级的索引值
int idx = time & TIME_LEVEL_MASK;
// idx=0 说明当前层级溢出，继续循环判断直至当前层级不溢出
if (idx != 0) {
// 将对应的t[i][idx]链表取出，依次移动到定时器中
move_list(T, i, idx);
break;
}
mask <<= TIME_LEVEL_SHIFT; // mask 右移
time >>= TIME_LEVEL_SHIFT; // time 左移
++i; // 时间轮层级增加
}
}
}
// 任务派发给其他线程执行
void dispatch_list(timer_node_t *current) {
do {
timer_node_t *temp = current;
current=current->next;
// cancel 标记为0，执行任务回调函数
if (temp->cancel == 0)
temp->callback(temp);
free(temp);
} while (current);
}
// 执行任务
// 以time的低8位对应的near数组的索引，取出该位置对应的list
void timer_execute(s_timer_t *T) {
// 取出time低8位对应的值
int idx = T->time & TIME_NEAR_MASK;
// 如果低8位值对应的near数组元素有链表，则取出
while (T->near[idx].head.next) {
// 取出对应的定时器list
timer_node_t *current = link_clear(&T->near[idx]);
spinlock_unlock(&T->lock);
// 将链表各结点的任务派发出去
dispatch_list(current);
spinlock_lock(&T->lock);
}
}
// 定时器更新
void timer_update(s_timer_t *T) {
spinlock_lock(&T->lock);
// 执行任务
timer_execute(T);
/// time+1，并判断是否进行重新映射
timer_shift(T);
// 若发生重新映射，若time的指向有任务，则需要执行
timer_execute(T);
spinlock_unlock(&T->lock);
}
// 删除定时器任务
void del_timer(timer_node_t *node) {
node->cancel = 1;
}
// 创建定时器
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;
// 创建主动轮，最低级时间轮
for (i = 0; i < TIME_NEAR; ++i) {
link_clear(&r->near[i]);
}
// 创建从动轮，高层级时间轮
for (i = 0; i < 4; ++i) {
for (j = 0;j < TIME_LEVEL; ++j) {
link_clear(&r->t[i][j]);
}
}
// 初始化自旋锁
spinlock_init(&r->lock);
r->current = 0;
return r;
}
// 获取当前时间，时间精度10ms
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);// CLOCK_MONOTONIC,从系统启动这一刻起开始计时,不受系统时间被用户改变的影响
t = (uint64_t)ti.tv_sec * 1000;
t += ti.tv_nsec / 1000000;
#else
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
t = (uint64_t)tv.tv_sec * 100;
t += tv.tv_usec / 10000;
#endif
return t;
}
// 检测定时器，时间精度10ms，每过1/4时间精度2.5ms执行1次
// 原因是dispatch分发任务花费时间，影响精度
void expire_timer(void) {
// 获取当前系统运行时间，不受系统时间被用户的影响
uint64_t cp = gettime();
// 当前系统启动时间与定时器记录的系统启动时间不相等
if (cp != TI->current_point) {
// 获取上述两者的差值
uint32_t diff = (uint32_t)(cp - TI->current_point);
// 更新定时器记录的系统运行时间
TI->current_point = cp;
// 更新timer的运行时间
TI->current += diff;
// 更新定时器的时间(time的值)，并执行对应的过期任务
int i;
for (i=0; i<diff; i++) {
// 每执行一次timer_update，其内部的函数
// timer_shift: time+1，time代表从timer启动后至今一共经历了多少次tick
// timer_execute: 执行near中的定时器
timer_update(TI);
}
}
}
// 初始化定时器
void init_timer(void) {
TI = timer_create_timer(); // 创建定时器
TI->current_point = gettime(); // 获取当前时间
}
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]);
}
}
}3）tw-timer.c
// tw-timer.c
// gcc tw-timer.c timewheel.c -o tw -I./ -lpthread
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
#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("do_timer expired:%d - thread-id:%d\n", node->expire, node->id);
add_timer(100, do_timer, node->id);
}
void do_clock(timer_node_t *node) {
static int time;
time ++;
printf("---time = %d ---\n", time);
add_timer(100, do_clock, node->id);
}
void* thread_worker(void *p) {
struct thread_param *tp = p;
int id = tp->id;
struct context *ctx = tp->ctx;
int expire = rand() % 200;
add_timer(expire, do_timer, id);
while (!ctx->quit) {
usleep(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 = 2;
pthread_t pid[ctx.thread];
init_timer();
add_timer(6000, do_quit, 100);
add_timer(0, do_clock, 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); // 2.5ms
}
clear_timer();
for (i = 0; i < ctx.thread; i++) {
pthread_join(pid[i], NULL);
}
printf("all thread is closed\n");
return 0;
}
5.5 总结
skynet 是怎么样运转定时器的？ skynet的 timer 线程会不断触发 expire_timer函数，在该函数中会不断执行timer_execute对 near 中的时器执行超时操作。执行完毕后，调用 timer_shift 从t[0] ~ t[3]中选择合适的定时器节点加入到 near 中，这过程就相当于提高了定时器节点的紧急程度（因为随着时间的流逝，定时器节点的紧急程度会越来越向near逼近）。