思维导图：定时器设计

Posted 2022-09-21 鱼竿钓鱼干

思维导图：定时器设计

Linux 服务器经典定时器设计，根据网上的各种资料简单整理了个思维导图

单个思维导图估计也就个人看看，如果各位有兴趣可以从以下几个问题入手

• 为啥要有专门的定时器模块
• 定时器有啥用
• 怎么定时
• 关于定时器的设计与几种方案的讨论
• 和其他模块的结合

下面是 Xmind 生成的 markdown 大纲，方便各位基于我的导图去修改

大纲

为什么需要

• 定时事件应用
  • 心跳检测
  • 技能冷却
  • 武器冷却
  • 倒计时
  • 检测连接
• 高效地组织并管理定时事件：把每个定时事件封装成定时器

Linux 定时机制

• alarm/setitimer：设置超时时间，等待并捕获 SIGALARM 信号
• 套接字超时选项
• 多路复用超时参数 select/poll/epoll：看是否返回 0
• timer_create：本质也是借助信号
• timerfd_create：通过判断文件描述符来判，可以配合 IO 多路复用

和 IO 协程调度模块的结合（sylar）

• 用 epoll_wait 来做的超时等待，毫秒级
• IO协程调度器的idle协程会在调度器空闲时阻塞在epoll_wait上，等待IO事件发生。加入定时器功能后，epoll_wait的超时时间改用当前定时器的最小超时时间来代替。epoll_wait返回后，根据当前的绝对时间把已超时的所有定时器收集起来，执行它们的回调函数。
• 由于epoll_wait的返回并不一定是超时引起的，也有可能是IO事件唤醒的。要再判断一下定时器有没有超时，用绝对时间就可以轻松判断啦

定时器设计与实现

成员

• 超时时间
  • 相对时间：注册的时候一般是超时时间
  • 绝对时间：排序和确认超时的时候一般绝对时间
    • gettimeofday 获取绝对时间，依赖系统时间
    • 可能存在校时问题导致定时机制失效
      • 用小的超时步长 + 多次超时才触发 + 检测系统时间有没有往回调
      • 直接换个时间源如 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW) 获取系统单调时间
• 任务回调函数

接口设计

• 初始化
• 添加定时器
• 删除定时器
• 找到最近要发生的定时任务
• 更新检测定时器
• 清除定时器

数据结构设计

• 考虑：支持动态修改并维护有序，高效找到最近要发生的定时任务
• 几种方案
  • 依赖一个固定周期触发的 tick 信号
    • 升序链表
      • 时间复杂度：添加 O（N），找最小，删除O（1）
        • tick 信号的周期对定时器性能影响比较大：周期小，精度高，CPU 负担高；周期大，精度低，CPU 负担小
        • 定时器数量比较多的时候，插入开销大
    • 时间轮：哈希思想，将定时器散列到不同的有序链表上
      • 每个链表的定时器数量的不会太常，这样插入效率也不会太拉跨；N 越大散列越均匀，插入效率越高。如果 N = 1 那就退化成升序链表了
      • 几种实现
        • 最简单的不带取模的直接一个槽为对应一个时间（纯哈希表）
          • 增删改查都O(1)
          • 可能要很多槽为，空间爆炸
        • 带取模的
          • 特征：同一条链表上每个定时器前后节点定时时间差 N * si 的整数倍（不一定是差 1 个 N）；ts = （cs + （ti / si) %N
          • 先 O(1) 找到对应槽为，按有序链表操作
        • 多级时间轮（优雅）
          • 根据定时任务出发的紧急程度，分布到不同层级的时间轮中
          • 均衡了时间（简单的单时间轮差不了多少）和空间
  • 直接把超时时间当作 tick 周期
    • 基本思路：每次都取出所有定时器中超时时间最小的超时值作为一个tick，这样，一旦tick触发，超时时间最小的定时器必然到期。处理完已超时的定时器后，再从剩余的定时器中找出超时时间最小的一个，并将这个最小时间作为下一个tick，如此反复，就可以实现较为精确的定时。根据绝对时间去排序
    • 具体实现
      • 最小堆：增删O(log2N)，删除O（n） 因为查找要O（n）可以配合 hash map 来辅助快速索引，查最小O（1）直接根节点
      • 红黑树：都 O(log2N)，查最小就是查红黑树的最左节点
      • 其他：跳表

参考资料

《Linux高性能服务器编程》第 11 章
sylar 服务器 定时器模块