有些时候我们需要延迟执行一些功能，比如每10s进行一次数据采集。或者告知用户技能冷却有多少时间，如果我们将执行这些功能的任务交给主线程，就会造成主线程的阻塞。因此我们可以选择一个创建一个子线程，让其检测定时器中的任务，当有任务的时间到了的时候，就去执行这个任务。
定时器可以由很多种数据结构实现，比如最小堆、红黑树、跳表、甚至数组都可以，其本质都是拿到最小时间的任务，然后取出该任务并执行。
综合实现难度和效率来看，最小堆是最容易实现定时器的数据结构。
最小堆主要有以下接口：
#pragma once
#include <vector>
#include <map>
using namespace std;
typedef void (*TimerHandler)(struct TimerNode *node);
//获取系统时间，单位是毫秒
static uint32_t current_time()
{
uint32_t t;
struct timespec ti;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti);
t = (uint32_t)ti.tv_sec * 1000;
t += ti.tv_nsec / 1000000;
return t;
}
struct TimerNode
{
//该任务在最小堆中的下标位置
int idx = 0;
//该任务是第几号任务
int id = 0;
//几毫秒后执行该任务
unsigned int expire = 0;
//回调函数
TimerHandler cb = NULL;
};
class MinHeapTimer
{
public:
MinHeapTimer()
{
_heap.clear();
_map.clear();
}
int Count();
//加入任务，expire为该任务的失效时间，expire过后就要执行回调函数cb
int AddTimer(uint32_t expire, TimerHandler cb);
//删除一个任务
bool DelTimer(int id);
//获取一个任务
void ExpireTimer();
private:
//用于比较两个任务的过期时间
bool _compare(int lhs, int rhs);
//向下调整算法，每次删除一个节点就要向下调整
void _shiftDown(int parent);
//向上调整算法，每添加一个数都要调用向上调整算法，保证根节点为最小节点
void _shiftUp(int child);
//删除的子函数
void _delNode(TimerNode *node);
void resign(int pos);
private:
//数组中存储任务节点
vector<TimerNode *> _heap;
//存储值和响应节点的映射关系
map<int, TimerNode *> _map;
//任务的个数，注意不是_heap的size
int _count = 0;
};具体的实现以及测试为：
#pragma once
#include <vector>
#include <map>
using namespace std;
typedef void (*TimerHandler)(struct TimerNode *node);
//获取系统时间，单位是毫秒
static uint32_t current_time()
{
uint32_t t;
struct timespec ti;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti);
t = (uint32_t)ti.tv_sec * 1000;
t += ti.tv_nsec / 1000000;
return t;
}
struct TimerNode
{
//该任务在最小堆中的下标位置
int idx = 0;
//该任务是第几号任务
int id = 0;
unsigned int expire = 0;
//回调函数
TimerHandler cb = NULL;
};
class MinHeapTimer
{
public:
MinHeapTimer()
{
_heap.clear();
_map.clear();
}
int Count()
{
return ++_count;
}
//加入任务，expire为该任务的失效时间，expire过后就要执行回调函数cb
int AddTimer(uint32_t expire, TimerHandler cb)
{
int64_t timeout = current_time() + expire;
TimerNode *node = new TimerNode;
int id = Count();
node->id = id;
node->expire = timeout;
node->cb = cb;
node->idx = (int)_heap.size();
_heap.push_back(node);
_shiftUp((int)_heap.size() - 1);
_map.insert(make_pair(id, node));
return id;
}
//删除一个任务
bool DelTimer(int id)
{
auto iter = _map.find(id);
if (iter == _map.end())
return false;
_delNode(iter->second);
return true;
}
//获取一个任务
void ExpireTimer()
{
if (_heap.empty())
{
return;
}
//获取当前时间
uint32_t now = current_time();
while (!_heap.empty())
{
//获取最近的一个任务
TimerNode *node = _heap.front();
//当最近一个任务的时间大于当前时间，说明没有任务要执行
if (now < node->expire)
{
break;
}
//遍历一下堆，这一步可以不加
for (int i = 0; i < _heap.size(); i++)
{
std::cout << "touch idx: " << _heap[i]->idx
<< " id: " << _heap[i]->id << " expire: "
<< _heap[i]->expire << std::endl;
}
//执行最近任务的回调函数
if (node->cb)
{
node->cb(node);
}
//执行完就删掉这个任务
_delNode(node);
}
}
private:
//用于比较两个任务的过期时间
bool _compare(int lhs, int rhs)
{
return _heap[lhs]->expire < _heap[rhs]->expire;
}
//向下调整算法，每次删除一个节点就要向下调整
void _shiftDown(int parent)
{
int child = parent * 2 + 1;
while (child < _heap.size() - 1)
{
if (child + 1 < _heap.size() - 1 && !_compare(child, child + 1))
{
child++;
}
if (!_compare(parent, child))
{
std::swap(_heap[parent], _heap[child]);
_heap[parent]->idx = parent;
_heap[child]->idx = child;
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
//向上调整算法，每添加一个数都要调用向上调整算法，保证根节点为最小节点
void _shiftUp(int child)
{
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
if (!_compare(parent, child))
{
std::swap(_heap[parent], _heap[child]);
_heap[parent]->idx = parent;
_heap[child]->idx = child;
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
{
break;
}
}
}
//删除的子函数
void _delNode(TimerNode *node)
{
int last = (int)_heap.size() - 1;
int idx = node->idx;
if (idx != last)
{
std::swap(_heap[idx], _heap[last]);
_heap[idx]->idx = idx;
resign(idx);
}
_heap.pop_back();
_map.erase(node->id);
delete node;
}
void resign(int pos)
{
//向上调整和向下调整只会发生一个
_shiftDown(pos);
_shiftUp(pos);
}
private:
//数组中存储任务节点
vector<TimerNode *> _heap;
//存储值和响应节点的映射关系
map<int, TimerNode *> _map;
//任务的个数，注意不是_heap的size
int _count = 0;
};#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include "minheap.h"
void print_hello(TimerNode *te)
{
std::cout << "hello world time = " << te->idx << "\t" << te->id << "\t" << current_time() << std::endl;
}
int main()
{
MinHeapTimer mht;
//一号任务，立刻执行
mht.AddTimer(0, print_hello);
//二号任务，一秒后执行
mht.AddTimer(1000, print_hello);
mht.AddTimer(7000, print_hello);
mht.AddTimer(2000, print_hello);
mht.AddTimer(9000, print_hello);
mht.AddTimer(10000, print_hello);
mht.AddTimer(6000, print_hello);
mht.AddTimer(3000, print_hello);
while (1)
{
mht.ExpireTimer();
// usleep(10000);
sleep(1);
}
return 0;
}
上面的定时器在任务数量很多时，效率会很低，因为我们需要用最小堆来维护这些任务，并且每删除一个任务，都要进行调整。其主要原因是我们不知道其他任务什么时候执行，所以我们只能进行调整，将最近的任务放到堆顶。
如果我们能够向哈希桶那样，将要执行的任务形成链表，挂到要执行的位置，当时间走到那个位置的时候，就执行这些任务，效率岂不是更高？
客户端每 5 秒钟发送⼼跳包；服务端若 10 秒内没收到⼼跳数据，则清除连接。
考虑到正常情况下 5 秒钟发送⼀次⼼跳包，10 秒才检测⼀次，如下图到索引为 10 的时候并不能踢掉连接；所以需要每收到⼀次⼼跳包则 used++ ，每检测⼀次 used-- ；当检测到used == 0 则踢掉连接；
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>
#define MAX_CONN ((1 << 16) - 1)
//连接的节点，用来记录心跳包发送的次数
typedef struct conn_node
{
struct conn_node *next;
//引用计数的次数,当used==0，相当于自动销毁
uint8_t used;
int id;
} conn_node_t;
//用数组记录所有的连接
static conn_node_t nodes[MAX_CONN] = {0};
static uint32_t iter = 0;
//获取一个空的连接节点
conn_node_t *get_node()
{
iter++;
while (nodes[iter & MAX_CONN].used > 0)
{
iter++;
}
return &nodes[iter];
}
//哈希桶的个数
#define TW_SIZE 16
//检测心跳包的延迟时间，由于哈希桶的个数有限，所以心跳包发送时间不能够超过6
#define EXPIRE 10
//取余操作
#define TW_MASK (TW_SIZE - 1)
static uint32_t tick = 0;
//哈希桶
typedef struct link_list
{
conn_node_t head;
//一个tail，能够进行快速插入
conn_node_t *tail;
} link_list_t;
//添加连接
void add_conn(link_list_t *tw, conn_node_t *node, int delay)
{
//获取对应的哈希桶
link_list_t *list = &tw[(tick + EXPIRE + delay) & TW_MASK];
list->tail->next = node;
list->tail = node;
node->next = NULL;
node->used++;
}
//清楚这个哈希桶
void link_clear(link_list_t *list)
{
list->head.next = NULL;
list->tail = &(list->head);
}
//检测哈希桶
void check_conn(link_list_t *tw)
{
int32_t itick = tick;
tick++;
//取到对应哈希桶的链表
link_list_t *list = &tw[itick & TW_MASK];
//检测哈希桶对应的链表
conn_node_t *current = list->head.next;
while (current)
{
conn_node_t *temp = current;
current = current->next;
temp->used--;
if (temp->used == 0)
{
printf("连接:%d 断开\n", temp->id);
temp->next = NULL;
continue;
}
printf("这个链接:%d 心跳包还剩:%d个需要检测\n", temp->id, temp->used);
}
link_clear(list);
}
//获取时间，单位是s
static time_t current_time()
{
time_t t;
struct timespec ti;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti);
t = (time_t)ti.tv_sec;
return t;
}
int main()
{
memset(nodes, 0, MAX_CONN * sizeof(conn_node_t));
// init link list
link_list_t tw[TW_SIZE];
memset(tw, 0, TW_SIZE * sizeof(link_list_t));
for (int i = 0; i < TW_SIZE; i++)
{
link_clear(&tw[i]);
}
// 第一个连接对应的心跳包，在0和5时进行发送
//所以会在10s和15s时进行检测，15s时把该连接断开
{
conn_node_t *node = get_node();
node->id = 10001;
add_conn(tw, node, 0);
add_conn(tw, node, 5);
}
//第二个连接发送的心跳包，在第10s时进行检测
{
conn_node_t *node = get_node();
node->id = 10002;
add_conn(tw, node, 0);
}
//第二个连接发送的心跳包，在第13s时检测
{
conn_node_t *node = get_node();
node->id = 10003;
add_conn(tw, node, 3);
}
time_t start = current_time();
while (1)
{
time_t now = current_time();
if (now - start > 0)
{
for (int i = 0; i < now - start; i++)
check_conn(tw);
start = now;
printf("在第%d秒时检测,此时机器时间:%d\n", tick, now);
}
}
return 0;
}
上面的时间轮受哈希桶大小和延迟10s收到心跳包的影响，只能在[0,6]秒内发送数据心跳包，如果想要延迟长时间，则需要扩大哈希桶的大小。
如果我们不发送心跳包，而是改成在若干秒后执行一个任务，比如50s后执行任务，但哈希桶大小只有16，我们可以在任务节点中增加一个参数round，用来记录需要走多少遍哈希桶，比如50s，对应到大小为16的哈希桶则round=3,idx=2。
不过这样做，在check_conn取任务时就不能够把整个链表都取出来，而是需要取出round==0的任务。
typedef struct node
{
struct conn_node *next;
//需要走多少轮哈希桶，当round==0时，则说明需要执行这个任务
int round;
int id;
} node_t;这样做能解决时间轮刻度范围过大造成的空间浪费，但是却带来了另一个问题：时间轮每次都需要遍历任务列表，耗时增加，当时间轮刻度粒度很小(秒级甚至毫秒级)，任务列表又特别长时，这种遍历的办法是不可接受的。
参照时钟表盘的运转规律，可以将定时任务根据触发的紧急程度，分布到不同层级的时间轮中；
假设时间精度为 10ms ；在第 1 层级每 10ms 移动⼀格；每移动⼀格执⾏该格⼦当中所有的定时任务；
当第 1 层指针从 255 格开始移动，此时层级 2 移动⼀格；层级 2 移动⼀格的⾏为定义为，将该格当中的定时任务重新映射到层级 1 当中；同理，层级 2 当中从 63 格开始移动，层级 3 格⼦中的定时任务重新映射到层级 2 ; 以此类推层级 4 往层级 3 映射，层级 5 往层级 4 映射。
只有任务在第一层时才会被执行，其他层都是将任务重新映射到上一层。
timewheel.h:
#pragma once
#include <stdint.h>
#define TIME_NEAR_SHIFT 8
#define TIME_NEAR (1 << TIME_NEAR_SHIFT)
#define TIME_LEVEL_SHIFT 6
#define TIME_LEVEL (1 << TIME_LEVEL_SHIFT)
#define TIME_NEAR_MASK (TIME_NEAR - 1)
#define TIME_LEVEL_MASK (TIME_LEVEL - 1)
typedef struct timer_node timer_node_t;
typedef void (*handler_pt)(struct timer_node *node);
struct timer_node
{
struct timer_node *next;
uint32_t expire; //时间
handler_pt callback; //回调函数
uint8_t cancel; //是否删除
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();spinlock.h:
#pragma once
struct spinlock
{
int lock;
};
void spinlock_init(struct spinlock *lock)
{
lock->lock = 0;
}
void spinlock_lock(struct spinlock *lock)
{
while (__sync_lock_test_and_set(&lock->lock, 1))
{
}
}
int spinlock_trylock(struct spinlock *lock)
{
return __sync_lock_test_and_set(&lock->lock, 1) == 0;
}
void spinlock_unlock(struct spinlock *lock)
{
__sync_lock_release(&lock->lock);
}
void spinlock_destroy(struct spinlock *lock)
{
(void)lock;
}timewheel.cpp:
#include "spinlock.h"
#include "timewheel.h"
#include <string.h>
#include <stddef.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
typedef struct link_list
{
timer_node_t head;
timer_node_t *tail;
} link_list_t;
//多级时间轮
typedef struct timer
{
//第一级
link_list_t near[TIME_NEAR];
// 2-4级
link_list_t t[4][TIME_LEVEL];
struct spinlock lock;
uint32_t time;
uint64_t current;
uint64_t current_point;
} s_timer_t;
static s_timer_t *TI = NULL;
timer_node_t *link_clear(link_list_t *list)
{
timer_node_t *ret = list->head.next;
list->head.next = 0;
list->tail = &(list->head);
return ret;
}
//链接一个节点
void link(link_list_t *list, timer_node_t *node)
{
list->tail->next = node;
list->tail = node;
node->next = 0;
}
void add_node(s_timer_t *T, timer_node_t *node)
{
uint32_t time = node->expire;
uint32_t current_time = T->time;
uint32_t msec = time - current_time;
//根据时间
if (msec < TIME_NEAR)
{ //[0, 0x100)
link(&T->near[time & TIME_NEAR_MASK], node);
}
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT + TIME_LEVEL_SHIFT)))
{ //[0x100, 0x4000)
link(&T->t[0][((time >> TIME_NEAR_SHIFT) & TIME_LEVEL_MASK)], node);
}
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT + 2 * TIME_LEVEL_SHIFT)))
{ //[0x4000, 0x100000)
link(&T->t[1][((time >> (TIME_NEAR_SHIFT + TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)], node);
}
else if (msec < (1 << (TIME_NEAR_SHIFT + 3 * TIME_LEVEL_SHIFT)))
{ //[0x100000, 0x4000000)
link(&T->t[2][((time >> (TIME_NEAR_SHIFT + 2 * TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)], node);
}
else
{ //[0x4000000, 0xffffffff]
link(&T->t[3][((time >> (TIME_NEAR_SHIFT + 3 * TIME_LEVEL_SHIFT)) & TIME_LEVEL_MASK)], node);
}
}
//增加事件
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);
node->expire = time + TI->time; // 每10ms加1 0
node->callback = func;
node->id = threadid;
if (time <= 0)
{
node->callback(node);
free(node);
spinlock_unlock(&TI->lock);
return NULL;
}
add_node(TI, node);
spinlock_unlock(&TI->lock);
return node;
}
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;
}
}
void timer_shift(s_timer_t *T)
{
int mask = TIME_NEAR;
uint32_t ct = ++T->time;
if (ct == 0)
{
move_list(T, 3, 0);
}
else
{
// ct / 256
uint32_t time = ct >> TIME_NEAR_SHIFT;
int i = 0;
// ct % 256 == 0
while ((ct & (mask - 1)) == 0)
{
int idx = time & TIME_LEVEL_MASK;
if (idx != 0)
{
move_list(T, i, idx);
break;
}
mask <<= TIME_LEVEL_SHIFT;
time >>= TIME_LEVEL_SHIFT;
++i;
}
}
}
void dispatch_list(timer_node_t *current)
{
do
{
timer_node_t *temp = current;
current = current->next;
if (temp->cancel == 0)
temp->callback(temp);
free(temp);
} while (current);
}
void timer_execute(s_timer_t *T)
{
int idx = T->time & TIME_NEAR_MASK;
while (T->near[idx].head.next)
{
timer_node_t *current = link_clear(&T->near[idx]);
spinlock_unlock(&T->lock);
dispatch_list(current);
spinlock_lock(&T->lock);
}
}
void timer_update(s_timer_t *T)
{
spinlock_lock(&T->lock);
timer_execute(T);
timer_shift(T);
timer_execute(T);
spinlock_unlock(&T->lock);
}
void del_timer(timer_node_t *node)
{
node->cancel = 1;
}
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;
for (i = 0; i < TIME_NEAR; i++)
{
link_clear(&r->near[i]);
}
for (i = 0; i < 4; i++)
{
for (j = 0; j < TIME_LEVEL; j++)
{
link_clear(&r->t[i][j]);
}
}
spinlock_init(&r->lock);
r->current = 0;
return r;
}
uint64_t gettime()
{
uint64_t t;
struct timespec ti;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ti);
t = (uint64_t)ti.tv_sec * 100;
t += ti.tv_nsec / 10000000;
return t;
}
void expire_timer(void)
{
uint64_t cp = gettime();
if (cp != TI->current_point)
{
uint32_t diff = (uint32_t)(cp - TI->current_point);
TI->current_point = cp;
int i;
for (i = 0; i < diff; i++)
{
timer_update(TI);
}
}
}
void init_timer(void)
{
TI = timer_create_timer();
TI->current_point = gettime();
}
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]);
}
}
}tw-timer.cpp:
#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("timer expired:%d - thread-id:%d\n", node->expire, node->id);
}
void *thread_worker(void *p)
{
struct thread_param *tp = (struct thread_param *)p;
int id = tp->id;
struct context *ctx = tp->ctx;
while (!ctx->quit)
{
int expire = rand() % 200;
add_timer(expire, do_timer, id);
usleep(expire * (10 - 1) * 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 = 8;
pthread_t pid[ctx.thread];
init_timer();
add_timer(6000, do_quit, 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);
}
clear_timer();
for (i = 0; i < ctx.thread; i++)
{
pthread_join(pid[i], NULL);
}
printf("all thread is closed\n");
return 0;
}
