定时器作用及实现定时器数据结构选取介绍1

jf_78858299 2023-04-21 1208

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本文主要介绍定时器作用，实现定时器数据结构选取，并详细介绍了跳表，红黑树，时间轮实现定时器的思路和方法。

”

定时器作用

定时器在各种场景都需要用到，比如游戏的Buff实现，Redis中的过期任务，Linux中的定时任务等等。顾名思义，定时器的主要用途是执行定时任务。

定时器数据结构选取

定时器数据结构要求：

  • 需要快速找到到期任务，因此，应该具有有序性；
  • 其过期执行、插入(添加定时任务)和删除(取消定时任务)的频率比较高，三种操作效率必须保证

以下为各数据结构时间复杂度表现

有序链表：插入O(n)，删除O(1)，过期expire执行O(1)

最小堆：插入O(logn)，删除O(logn)，过期expire执行O(1)

红黑树：插入O(logn)，删除O(logn)，过期expire执行O(logn)

哈希表+链表（时间轮）：插入O(1)，删除O(1)，过期expire平均执行O(1)（最坏为O(n)）

不同开源框架定时器实现方式不一，如，libuv采用最小堆来实现，nginx采用红黑树实现，linux内核和skynet采用时间轮算法实现等等。

定时器接口封装

作为定时器，需要封装以下4类接口给用户使用：

  • 创建定时器：init_timer
  • 添加定时任务：add_timer
  • 取消定时任务：cancel_timer
  • 执行到期任务：expire_timer

其中执行到期任务有两种工作方式：

  1. 轮询: 每隔一个时间片去查找哪些任务到期
  2. 睡眠/唤醒：不停查找deadline最近任务，到期执行，否则sleep；sleep期间，任务有改变，线程会被唤醒

接下来将介绍分别用跳表、红黑树、时间轮来实现定时器。

跳表实现定时器

跳表简介

跳表是一种动态的数据结构，采用空间换时间的思想，在有序链表基础上加入多级索引，通过索引进行二分快速查找，支持快速删除、插入和查找操作（平均时间复杂度为O(logN)，最坏为O(N)），效率可与平衡树媲美，实现比其简单。

下面通过一张图来简单说明跳表操作。跳表的最底层即为基本的有序链表，存储所有的数据，可理解为数据层；往上则为索引层，理想状态下，上一层为下一层节点数的一半。比如，要查找下图的数据为11的节点，从begin''出发，向右走，如果下一个节点大于11则往下走，直到找到目标节点。可见，跳表要比原始链表少比较一些节点，但前提是需要花更多空间存储索引节点。

Linux

image-20210323182236910

跳表实现定时器

  • 跳表查找，插入，删除(任意节点、头节点)的时间复杂度大概率趋向于O(logn)
  • 过期任务查找，只需要跟第一个节点比较，因其第一个节点即为最小节点

学会吸取开源框架中优秀数据结构和代码思想，直接采用redis中跳表结构的实现，取出所需部分，用于实现定时器。如下：

跳表数据结构

跳表节点与跳表结构

/*skiplist.h*/
#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32
#define ZSKIPPLIST 0.25

typedef struct zskiplistNode zskiplistNode;
typedef void (*handler_pt) (zskiplistNode * node);
// 跳表节点
struct zskiplistNode {
  unsigned long score;  /*用于排序的值*/
  handler_pt handler;  /*处理函数*/
  struct zskiplistLevel {
    struct zskiplistNode **forward;
  }level[];
};
// 跳表结构
typedef struct zskiplist {
  struct zskiplistNode * header;
  int length;
  int level;  /*跳表层数*/
}zskiplist;

跳表接口申明

具体接口实现细节请移步redis源码。

/*skiplist.h*/
/*创建跳表，初始化*/
zskiplist *zslCreate(void);
/*删除跳，表释放资源*/
void zslFree(zskiplist *zsl);
/*插入节点*/
zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, unsigned long score, handler_pt func);
/*删除头节点*/
void zsklDeleteHead(zskiplist *zsl);
/*删除任意节点*/
void zslDelete(zskiplist *zsl, zskplistNode *zn);
/*打印，调试*/
void zslPrint(zskiplist *zsl);

定时器接口实现

主要介绍四个接口实现：初始化定时器，添加定时任务，删除/取消定时任务，处理定时任务

// test_user.c  封装给用户使用的接口
static uint32_t
current_time() {
 uint32_t t;
    struct timespec ti;
    clock_getttime(CLOCK_MONOTONIC, &ti);
    t = (uint32_t)ti.tv_sec * 1000;
    t += ti.tv_sec / 1000000;
}
zskiplist *init_timer() {
    // 初始化定时器
    return zslCreate();
}
zskiplistNode *add_timer(zskiplist *zsl, uint32_t msec, handler_pt func) {
    // 添加定时任务
    msec += current_time();
    return zslInsert(zsl, msec, func);
}
void cancel_timer(zskiplist *zsl, zskiplistNode *zn) {
    // 删除/取消定时任务
    zslDelete(zsl, zn);
}
void expire_timer(zskiplist *zsl){
    // 处理定时任务
    zskiplistNode *x;
    uint32_t now = current_time();
    for (;;) {
        x = zslMin(zsl);  // 最近节点
        if (!x) break;
        if (x->score > now)  break;  // 时间未到
        x->handler(x);  // 执行相关定时任务
        zslDeleteHead(zsl);  // 执行完删除
    }
}

红黑树实现定时器

红黑树

红黑树是一种自平衡的二叉查找树，即，插入和删除操作如果破坏树的平衡时，需要重新调整达到平衡状态。因此，是一种比较难的数据结构。

红黑树五条性质

  • 每个节点要么是红色，要么是黑色
  • 根节点是黑色
  • 每个叶子结点是黑色
  • 每个红节点的两个子节点一定是黑色
  • 任意一节点到每个叶子节点的路径都含相同数目的黑结点

弄懂红黑树如何调整树的平衡，保证满足这5条性质，是比较麻烦，需要耐心的去推导一遍，此处不展开。

红黑树实现定时器

AVL 树平衡要求太高，维护平衡操作过多，较复杂；红黑树只需维护一个黑高度，效率较高

红黑树查找，删除，添加时间复杂度为：O(log(n))

吸取开源框架中优秀数据结构和代码思想，选用nginx中的红黑树结构

红黑树数据结构

红黑树节点与红黑树

// rbtree.h  红黑树数据结构以及相关接口，具体接口实现同上
#ifndef _NGX_RBTREE_H_INCLUDE_
#define _NGX_RBTREE_H_INCLUDE_

typedef unsigned int ngx_rbtree_key_t;
typedef unsigned int ngx_uint_t;
typedef int ngx_rbtree_key_int_t;

// 红黑树节点
typedef struct ngx_rbtree_node_s  ngx_rbtree_node_t;
struct ngx_rbtree_node_s {
    ngx_rbtree_key_t key;
    ngx_rbtree_node_t *left;
    ngx_rbtree_node_t *right;
    ngx_rbtree_node_t *parent;
    u_char    color;  // 节点颜色
    u_char    data;  // 节点数据
};
// 插入函数指针
typedef void (*ngx_rbtree_insert_pt) (ngx_rbtree_node_t *root,
     ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel);
// 红黑树
typedef struct ngx_rbtree_s ngx_rbtree_t;
struct ngx_rbtree_s {
    ngx_rbtree_node_t  *root;
    ngx_rbtree_node_t  *sentinel;
    ngx_rbtree_insert_pt insert;
};

红黑树接口声明

// 红黑树初始化
#define ngx_rbtree_init(tree, s, i)       \\
 ngx_rbtree_sentinel_init(s);      \\
 (tree)->root = s;        \\
 (tree)->sentinel = s;       \\
 (tree)->insert = i;        
// 插入操作
void ngx_rbtree_insert(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);
// 删除操作
void ngx_rbtree_delete(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);
// 插入value
void ngx_rbtree_insert_value(ngx_rbtree_node_t *root, ngx_rbtree_node_t *node,
                            ngx_rbtree_node_t *sentinel);
// 插入timer
void ngx_rbtree_insert_timer_value(ngx_rbtree_node_t *root,
                                  ngx_rbtree_node_t *node,
                                  ngx_rbtree_node_t *sentinel);
// 获取下一个节点
ngx_rbtree_node_t *ngx_rbtree_next(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);
#define ngx_rbt_red(node)    ((node)->color = 1)
#define ngx_rbt_black(node)    ((node)->color = 0)
#define ngx_rbt_is_red(node)   ((node)->color)
#define ngx_rbt_is_black(node)   (!ngx_rbt_is_red(node))
#define ngx_rbt_copy_color(n1, n2)  (n1->color = n2->color)
#define ngx_rbtree_sentinel_init(node)  ngx_rbt_black(node)
// 找到最小值，一直往左走即可
static inline ngx_rbtree_node_t *
ngx_rbtree_min(ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel)
{
    while (node->left != sentinel){
        node = node->left;
    }
    return node;
}

定时器接口实现

// test_user.c  封装给用户使用的接口
ngx_rbtree_t     timer;
static ngx_rbtree_node_t   sentinel;
typedef struct timer_entry_s timer_entry_t;
typedef void (*timer_handler_pt)(timer_entry_t *ev);

struct timer_entry_s {
   ngx_rbtree_node_t timer;
    timer_handler_pt  handler;
};
// 初始化
int init_timer() {
    ngx_rbtree_init(&timer, &sentinel, ngx_rbtree_insert_timer_value);
    return 0;
}
// 添加定时任务
void add_timer(timer_entry_t *te, uint32_t msec) {
    msec += current_time();
    te->timer.key = msec;
    ngx_rbtree_insert(&timer, &te->timer);
}
// 取消定时
void cancel_timer(timer_entry_t *te) {
    ngx_rbtree_delete(&timer, &te->timer);
}
// 执行到期任务
void expire_timer() {
    timer_entry_t *te;
    ngx_rbtree_node_t *sentinel, *root, *node;
    sentinel = timer.sentinel;
    uint32_t now = current_time();
    for(;;){
        root = timer.root;
        if (root == sentinel) break;
        if (node->key > now) break;
        te = (timer_entry_t *) ((char *) node - offsetof(timer_entry_t, timer));
        te->handler(te);
        ngx_rbtree_delete(&timer, &te->timer);
        free(te);
    }
}

以上，为红黑树和跳表实现的定时器，多线程环境下加锁粒度比较大，高并发场景下效率不高，而时间轮适合高并发场景，如下。

时间轮实现定时器

时间轮

可以用于高效的执行大量定时任务，如下为分层时间轮示意图：

Linux

timewheel

时间轮可参考时钟进行理解，秒针(Seconds wheel)转一圈，则分针(Minutes wheel)走一格，分针(Minutes wheel)转一圈，则时针(Hours wheel)走一格。随着，时间的流逝，任务不断从上层流下下一层，最终到达秒针轮上，当秒针走到时执行。

如上所示，时间轮大小为8格，秒针1s转动一格，其每一格所指向的链表保存着待执行任务。比如，如果当前指针指向1，要添加一个3s后执行的任务，由于1+3=4，即在第4格的链表中添加一个任务节点即可。如果要添加一个10s后执行的任务，10+1=11，超过了秒针轮范围，因此需要对8取模11 % 8 = 3，即，会把这个任务放到分针轮上3对应的链表上，之后再从分针轮把任务丢到秒针轮上进行处理。也即，**秒针轮(Seconds wheel)**即保存着最近将要执行的任务，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。

优点：加锁粒度较小，只需要加一个格子即可，一个格子对应一串链表；适合高并发场景

缺点：不好删除

如何解决时间轮定时任务删除？

  1. 通过引用计数来解决
  2. 交由业务层处理，将删除标记设为true , 在函数回调中根据这个标记判断是否需要处理

这里介绍两种定时器实现方案，一种是简单实现方案，另一种是skynet较为复杂的实现。

时间轮实现定时器

简单时间轮实现方案

功能场景：由心跳包进行超时连接检测，10s未收到则断开连接

一般做法：map每秒轮询这个结构，检测所有连接是否超时，收到心跳包，记录时间戳

缺点：效率很差，每次需要检测所有连接，时间复杂度为O(n)

优化：分治大法，只需检测快过期的连接， 采用hash数组+链表形式，数组大小设置成16 ：[0] + [1] + [2] + ... + [15] ，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。

数据结构定义

以下为定时器节点，增加引用计数ref， 只有当ref为0时删除连接。

class CTimerNode {
public:
    CTimerNode(int fd) : id(fd), ref(0) {}
    void Offline() {this->ref = 0};
    bool tryKill() {
        if (this->ref == 0) return true;
        DecRef();
        if (this->ref == 0){
            return true;
        }
        return false;
    }
    void IncRef() {this->ref++;}
protected:
    void DecRef() {this->ref--;}
private:
    int ref;
    int id;
}
// 时间轮数组大小16, (x对16取余)==(x&1111) 落到0-15之间,即落到对应的数组
const int TW_SIZE = 16;
const in EXPIRE = 10; // 过期间隔
const int TW_MASK = TW_SIZE - 1;  // 掩码, 用于对16取余
static size_t iReadTick = 0;  // 滴答时钟
typedef list
定时器接口
// 添加定时
void AddTimeOut(TimerWheel &tw, CTimerNode *p) {
    if (p) {
        p->IncRef();
        // 找到iRealTick对应数组的idx(槽位)
        TimeList &le = tw[(iRealTick+EXPIRE) & TW_MASK];
        le.push_back(p);  // 把时间节点加入list中
    }
}
// 延时调用
void AddTimeOutDelay(TimeWheel &tw, CTimerNode *p, size_t delay) {
    if (p) {
        p->IncRef();
        TimeList &le = tw[(iRealTick + EXPIRE + delay) & TW_MASK];
        le.push_back(p);
    }
}
// 时间轮移动
void TimerShift(TimeWheel &tw) {
    size_t tick = iRealTick;
    iRealTick++;
    TimeList &le = tw[tick & TW_MASK];
    TimeListIter iter = le.begin();
    for (; iter != le.end(); iter++) {
        CTimerNode *p = *iter;
        if (p && p->trySkill()){
            delete p;
        }
    }
    le.clear();
}
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