多级时间轮实现框架
描述
一. 多级时间轮实现框架
上图是5个时间轮级联的效果图。中间的大轮是工作轮，只有在它上的任务才会被执行；其他轮上的任务时间到后迁移到下一级轮上，他们最终都会迁移到工作轮上而被调度执行。
多级时间轮的原理也容易理解：就拿时钟做说明，秒针转动一圈分针转动一格；分针转动一圈时针转动一格；同理时间轮也是如此：当低级轮转动一圈时，高一级轮转动一格，同时会将高一级轮上的任务重新分配到低级轮上。从而实现了多级轮级联的效果。
1.1 多级时间轮对象
多级时间轮应该至少包括以下内容：
- 每一级时间轮对象
- 轮子上指针的位置
关于轮子上指针的位置有一个比较巧妙的办法：那就是位运算。比如定义一个无符号整型的数：
通过获取当前的系统时间便可以通过位操作转换为时间轮上的时间，通过与实际时间轮上的时间作比较，从而确定时间轮要前进调度的时间，进而操作对应时间轮槽位对应的任务。
为什么至少需要这两个成员呢？
- 定义多级时间轮，首先需要明确的便是级联的层数，也就是说需要确定有几个时间轮。
- 轮子上指针位置，就是当前时间轮运行到的位置，它与真实时间的差便是后续时间轮需要调度执行，它们的差值是时间轮运作起来的驱动力。
多级时间轮对象的定义
//实现5级时间轮 范围为0~ (2^8 * 2^6 * 2^6 * 2^6 *2^6)=2^32
struct tvec_base
{
unsigned long current_index;
pthread_t thincrejiffies;
pthread_t threadID;
struct tvec_root tv1; /*第一个轮*/
struct tvec tv2; /*第二个轮*/
struct tvec tv3; /*第三个轮*/
struct tvec tv4; /*第四个轮*/
struct tvec tv5; /*第五个轮*/
};
1.2 时间轮对象
我们知道每一个轮子实际上都是一个哈希表，上面我们只是实例化了五个轮子的对象，但是五个轮子具体包含什么，有几个槽位等等没有明确（即 struct tvec 和 struct tvec_root）。
#define TVN_BITS 6
#define TVR_BITS 8
#define TVN_SIZE (1<
此外，每一个时间轮都是哈希表，因此它的类型应该至少包含两个指针域来实现双向链表的功能。这里我们为了方便使用通用的struct list_head的双向链表结构。
1.3 定时任务对象
定时器的主要工作是为了在未来的特定时间完成某项任务，而这个任务经常包含以下内容：
- 任务的处理逻辑(回调函数)
- 任务的参数
- 双向链表节点
- 到时时间
定时任务对象的定义
typedef void (*timeouthandle)(unsigned long );
struct timer_list{
struct list_head entry; //将时间连接成链表
unsigned long expires; //超时时间
void (*function)(unsigned long); //超时后的处理函数
unsigned long data; //处理函数的参数
struct tvec_base *base; //指向时间轮
};
在时间轮上的效果图：
1.4 双向链表
在时间轮上我们采用双向链表的数据类型。采用双向链表的除了操作上比单链表复杂，多占一个指针域外没有其他不可接收的问题。而多占一个指针域在今天大内存的时代明显不是什么问题。
至于双向链表操作的复杂性，我们可以通过使用通用的struct list结构来解决，因为双向链表有众多的标准操作函数，我们可以通过直接引用list.h头文件来使用他们提供的接口。
struct list可以说是一个万能的双向链表操作框架，我们只需要在自定义的结构中定义一个struct list对象即可使用它的标准操作接口。同时它还提供了一个类似container_of的接口，在应用层一般叫做list_entry，因此我们可以很方便的通过struct list成员找到自定义的结构体的起始地址。
关于应用层的log.h, 我将在下面的代码中附上该文件。如果需要内核层的实现，可以直接从linux源码中获取。
1.5 联结方式
多级时间轮效果图：
二. 多级时间轮C语言实现
2.1 双向链表头文件: list.h
提到双向链表，很多的源码工程中都会实现一系列的统一的双向链表操作函数。它们为双向链表封装了统计的接口，使用者只需要在自定义的结构中添加一个struct list_head结构，然后调用它们提供的接口，便可以完成双向链表的所有操作。
这些操作一般都在list.h的头文件中实现。Linux源码中也有实现（内核态的实现）。他们实现的方式基本完全一样，只是实现的接口数量和功能上稍有差别。
可以说这个list.h文件是学习操作双向链表的不二选择，它几乎实现了所有的操作：增、删、改、查、遍历、替换、清空等等。这里我拼凑了一个源码中的log.h函数，终于凑够了多级时间轮中使用到的接口。
#if !defined(_BLKID_LIST_H) && !defined(LIST_HEAD)
#define _BLKID_LIST_H
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
* Simple doubly linked list implementation.
*
* Some of the internal functions ("__xxx") are useful when
* manipulating whole lists rather than single entries, as
* sometimes we already know the next/prev entries and we can
* generate better code by using them directly rather than
* using the generic single-entry routines.
*/
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) \\
struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \\
(ptr)- >next = (ptr); (ptr)- >prev = (ptr); \\
} while (0)
static inline void
__list_add(struct list_head *entry,
struct list_head *prev, struct list_head *next)
{
next- >prev = entry;
entry- >next = next;
entry- >prev = prev;
prev- >next = entry;
}
/**
* Insert a new element after the given list head. The new element does not
* need to be initialised as empty list.
* The list changes from:
* head → some element → ...
* to
* head → new element → older element → ...
*
* Example:
* struct foo *newfoo = malloc(...);
* list_add(&newfoo- >entry, &bar- >list_of_foos);
*
* @param entry The new element to prepend to the list.
* @param head The existing list.
*/
static inline void
list_add(struct list_head *entry, struct list_head *head)
{
__list_add(entry, head, head- >next);
}
/**
* Append a new element to the end of the list given with this list head.
*
* The list changes from:
* head → some element → ... → lastelement
* to
* head → some element → ... → lastelement → new element
*
* Example:
* struct foo *newfoo = malloc(...);
* list_add_tail(&newfoo- >entry, &bar- >list_of_foos);
*
* @param entry The new element to prepend to the list.
* @param head The existing list.
*/
static inline void
list_add_tail(struct list_head *entry, struct list_head *head)
{
__list_add(entry, head- >prev, head);
}
static inline void
__list_del(struct list_head *prev, struct list_head *next)
{
next- >prev = prev;
prev- >next = next;
}
/**
* Remove the element from the list it is in. Using this function will reset
* the pointers to/from this element so it is removed from the list. It does
* NOT free the element itself or manipulate it otherwise.
*
* Using list_del on a pure list head (like in the example at the top of
* this file) will NOT remove the first element from
* the list but rather reset the list as empty list.
*
* Example:
* list_del(&foo- >entry);
*
* @param entry The element to remove.
*/
static inline void
list_del(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry- >prev, entry- >next);
}
static inline void
list_del_init(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry- >prev, entry- >next);
INIT_LIST_HEAD(entry);
}
static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
__list_del(list- >prev, list- >next);
list_add_tail(list, head);
}
/**
* Check if the list is empty.
*
* Example:
* list_empty(&bar- >list_of_foos);
*
* @return True if the list contains one or more elements or False otherwise.
*/
static inline int
list_empty(struct list_head *head)
{
return head- >next == head;
}
/**
* list_replace - replace old entry by new one
* @old : the element to be replaced
* @new : the new element to insert
*
* If @old was empty, it will be overwritten.
*/
static inline void list_replace(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
new- >next = old- >next;
new- >next- >prev = new;
new- >prev = old- >prev;
new- >prev- >next = new;
}
/**
* Retrieve the first list entry for the given list pointer.
*
* Example:
* struct foo *first;
* first = list_first_entry(&bar- >list_of_foos, struct foo, list_of_foos);
*
* @param ptr The list head
* @param type Data type of the list element to retrieve
* @param member Member name of the struct list_head field in the list element.
* @return A pointer to the first list element.
*/
#define list_first_entry(ptr, type, member) \\
list_entry((ptr)- >next, type, member)
static inline void list_replace_init(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
list_replace(old, new);
INIT_LIST_HEAD(old);
}
/**
* list_entry - get the struct for this entry
* @ptr: the &struct list_head pointer.
* @type: the type of the struct this is embedded in.
* @member: the name of the list_struct within the struct.
*/
#define list_entry(ptr, type, member) \\
((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(&((type *)0)- >member)))
/**
* list_for_each - iterate over elements in a list
* @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.
* @head: the head for your list.
*/
#define list_for_each(pos, head) \\
for (pos = (head)- >next; pos != (head); pos = pos- >next)
/**
* list_for_each_safe - iterate over elements in a list, but don't dereference
* pos after the body is done (in case it is freed)
* @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.
* @pnext: the &struct list_head to use as a pointer to the next item.
* @head: the head for your list (not included in iteration).
*/
#define list_for_each_safe(pos, pnext, head) \\
for (pos = (head)- >next, pnext = pos- >next; pos != (head); \\
pos = pnext, pnext = pos- >next)
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* _BLKID_LIST_H */