「linux」定时器方案：红黑树最小堆和时间轮的原理

Posted 2023-02-17 linux大本营

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了「linux」定时器方案：红黑树最小堆和时间轮的原理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、网络事件和时间事件

对于服务端来说，驱动服务端逻辑的事件主要有两个，⼀个是⽹络事件，另⼀个是时间事件；

在不同框架中，这两种事件有不同的实现⽅式；

第⼀种，⽹络事件和时间事件在⼀个线程当中配合使⽤；例如nginx、redis；

第⼆种，⽹络事件和时间事件在不同线程当中处理；例如skynet；

第一种

// 第⼀种
while (!quit) 
	 int now = get_now_time();// 单位：ms
	 int timeout = get_nearest_timer() - now;
	 if (timeout < 0) timeout = 0;
	 int nevent = epoll_wait(epfd, ev, nev, timeout);
	 for (int i=0; i<nevent; i++) 
	 //... ⽹络事件处理
	 
	 update_timer(); // 时间事件处理

通过epoll_wait中的timeout进行定时操作。但是由于可能会受到网络事件处理中网络影响，导致后面update_timer()时间事件处理出现比较大的误差（没有那么准时）。

受到网络影响，定时器的误差较大，如何解决？

通过定时信号，发送信号的方式提前打断epoll_wait，然后尽快执行我们的定时器事件update_timer()(nginx就是采用这种方法)

第二种

// 第⼆种 在其他线程添加定时任务
void* thread_timer(void * thread_param) 
 init_timer();
 while (!quit) 
 update_timer(); // 更新检测定时器，并把定时事件发送到消息队列中
 sleep(t); // 这⾥的 t 要⼩于 时间精度
 
 clear_timer();
 return NULL;

pthread_create(&pid, NULL, thread_timer, &thread_param);

二、接口设计

// 初始化定时器
void init_timer();
// 添加定时器
Node* add_timer(int expire, callback cb);
// 删除定时器
bool del_timer(Node* node);
// 找到最近要发⽣的定时任务
Node* find_nearest_timer();
// 更新检测定时器
void update_timer();
// 清除定时器
// void clear_timer();

大量定时任务怎么处理？

通过一个数据结构组织定时任务，让时间越近的定时任务先触发（它的优先级高）

可以采用数据结构如：红黑树（nginx）、最小堆(libevent、go、libev等大部分)、时间轮（netty、kafka、skynet）

三、红黑树

在红黑树中，怎么解决相同的时间的key？

比如插入时间为7，那么就可以插入右侧(也就是说，如果定时器的时间相等的话，定时事件后加入的就后触发)（nignx中定时器就是这样实现的）

四、最小堆

最小堆也可以用一个数组来表示，数组的第一个数永远是最小的。

它的效率要比红黑树高，最小堆不一定要保证是一个有序的结构，只需要父节点小于子节点就好了。

红黑树的增加和删除的节点的时间复杂度为O(logN)，查找最小的节点时间为O(H),其中H为红黑树高度

最小堆的增加和删除节点的时间复杂度也为O(logN)，查找最小的节点时间为O(1)

最小堆的是一种AVL树，左右子树高度差不超过1，因此增加和删除节点的时间更具有稳定性，而红黑树没有最小堆这么稳定。并且最小堆的查找最小节点的时候复杂度仅有O(1)。因此大部分定时器，都用最小堆来做。

最小堆和红黑树通常用在单线程，时间轮用在多线程(原因在本文最后)

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五、时间轮

1、单层级时间轮

用于实现时间窗口（如tcp滑动窗口）的限流与熔断

假设检测5秒内是否有100次操作

限流：每秒都查看最近五秒是否有100次操作

熔断：每过五秒查看这五秒有没有100次操作

显而易见的，限流更加准确，但是很耗费时间，熔断没那么准确，但是相对来说没那么耗时间

熔断的应用：

DDos攻击：

客户端不断发送大量数据给服务器的过程为DDos攻击

解决办法：

在网络底层用DPDK判断

在应用层用熔断机制判断规定时间内客户端发送的数据包是否大于最大上限

为什么要使用时间轮？

案例：心跳检测：

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；

实际在开发过程中，若收到除了心跳包的其他数据，心跳检测也算通过，在这是为了简化流程，只判断心跳包；作为对⽐：我们假设使⽤ map<int, conn*> 来存储所有连接数；每秒检测 map 结构，那么每秒需要遍历所有的连接，如果这个map结构包含⼏万条连接，那么我们做了很多⽆效检测；考虑极端情况，刚添加进来的连接，下⼀秒就需要去检测，实际上只需要10秒后检测就⾏了；那么我们考虑使⽤时间轮来检测