浅析muduo库中的定时器设施

Posted 2020-11-18 ukernel

一个设计良好的定时器在服务端的应用程序上至关重要，muduo定时器的实现陈硕大牛在书中已经详细的谈过，笔者尝试从源码的角度解读定时器的实现，如果理解不对，欢迎指正。
在muduo的定时器系统中，一共由四个类：Timestamp，Timer，TimeId，TimerQueue组成。其中最关键的是Timer和TimerQueue两个类。此文只解释初读时让人非常迷惑的TimerQueue类，这个类是整个定时器设施的核心，其他三个类简介其作用。
其中Timestamp是一个以int64_t表示的微秒级绝对时间，而Timer则表示一个定时器的到时事件，是否具有重复唤醒的时间等，TimerId表示在在TimerQueue中对Timer的索引。

TimerQueue

下面是muduo定时器中最重要的TimerQueue类，是整个定时器的核心，初读时让人非常迷惑，最主要的原因还是没有搞清楚Timer类中的成员的意思。

/**Timer.h**/
 private:
  const TimerCallback callback_;//定时器回调函数
  Timestamp expiration_;//绝对的时间
  const double interval_;//如果有重复属性，超时的时间间隔
  const bool repeat_;//是否有重复
  const int64_t sequence_;//定时器序号

  static AtomicInt64 s_numCreated_;//定时器计数

有了上述成员的意义，我们便可以介绍TimerQueue的功能了。

/**TimerQueue.h**/
class TimerQueue : boost::noncopyable
{
 public:
  TimerQueue(EventLoop* loop);
  ~TimerQueue();

  ///
  /// Schedules the callback to be run at given time,
  /// repeats if @c interval > 0.0.
  ///
  /// Must be thread safe. Usually be called from other threads.
  TimerId addTimer(const TimerCallback& cb,
                   Timestamp when,
                   double interval);//往定时器队列中添加定时器
#ifdef __GXX_EXPERIMENTAL_CXX0X__
  TimerId addTimer(TimerCallback&& cb,
                   Timestamp when,
                   double interval);
#endif

  void cancel(TimerId timerId);//取消某个定时器

 private:

  // FIXME: use unique_ptr<Timer> instead of raw pointers.
  typedef std::pair<Timestamp, Timer*> Entry;//到期的时间和指向其的定时器
  typedef std::set<Entry> TimerList;
  typedef std::pair<Timer*, int64_t> ActiveTimer;//定时器和其定时器的序列号
  typedef std::set<ActiveTimer> ActiveTimerSet;

  void addTimerInLoop(Timer* timer);
  void cancelInLoop(TimerId timerId);
  // called when timerfd alarms
  void handleRead();
  // move out all expired timers
  std::vector<Entry> getExpired(Timestamp now);//返回超时的定时器列表
  void reset(const std::vector<Entry>& expired, Timestamp now);

  bool insert(Timer* timer);//在两个序列中插入定时器

  EventLoop* loop_;
  const int timerfd_;//只有一个定时器，防止同时开启多个定时器，占用多余的文件描述符
  Channel timerfdChannel_;//定时器关心的channel对象
  // Timer list sorted by expiration
  TimerList timers_;//定时器集合（有序）

  // for cancel()
  // activeTimerSet和timer_保存的是相同的数据
  // timers_是按照到期的时间排序的，activeTimerSet_是按照对象地址排序
  ActiveTimerSet activeTimers_;//保存正在活动的定时器（无序）
  bool callingExpiredTimers_; /* atomic *///是否正在处理超时事件
  ActiveTimerSet cancelingTimers_;//保存的是取消的定时器（无序）
};

上述代码中有三处让人感到惊喜的地方：

• 首先，整个TimerQueue之打开一个timefd，用以观察定时器队列队首的到期事件。其原因是因为set容器是一个有序队列，以<排序，就是说整个队列中，Timer的到期时间时从小到大排列的，正是因为这样，才能做到节省系统资源的目的。
• 其次，在整个TimerQueue类中有三个容器，一个表示有序的Timer队列，一个表示正在活动的，无序的定时器队列（用于与有序的定时器队列同步），还有一个表示取消的定时器队列（在重新启动一个有固定时间间隔定时器时，首先判断是否友重复属性，其次就是是否在已经取消的队列中）。第二个定时器队列是否多余？还没有想明白。
• 最后，整个定时器队列采用了muduo典型的事件分发机制，可以使的定时器的到期时间像fd一样在Loop线程中处理。
  ```
  /TimerQueue.cc/
  int createTimerfd()
  {//创建非阻塞timefd
  int timerfd = ::timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC,
  TFD_NONBLOCK | TFD_CLOEXEC);
  if (timerfd < 0)
  {
  LOG_SYSFATAL << "Failed in timerfd_create";
  }
  return timerfd;
  }

struct timespec howMuchTimeFromNow(Timestamp when)
{//现在距离超时还有多久
int64_t microseconds = when.microSecondsSinceEpoch()
- Timestamp::now().microSecondsSinceEpoch();
if (microseconds < 100)
{
microseconds = 100;
}
struct timespec ts;
ts.tv_sec = static_cast

void readTimerfd(int timerfd, Timestamp now)
{//处理超时时间，超时后，timefd变为可读,howmany表示超时的次数
uint64_t howmany;//将事件读出来，免得陷入Loop忙碌状态
ssize_t n = ::read(timerfd, &howmany, sizeof howmany);
LOG_TRACE << "TimerQueue::handleRead() " << howmany << " at " << now.toString();
if (n != sizeof howmany)
{
LOG_ERROR << "TimerQueue::handleRead() reads " << n << " bytes instead of 8";
}
}

void resetTimerfd(int timerfd, Timestamp expiration)
{//重新设置定时器描述符关注的定时事件
// wake up loop by timerfd_settime()
struct itimerspec newValue;
struct itimerspec oldValue;
bzero(&newValue, sizeof newValue);
bzero(&oldValue, sizeof oldValue);
newValue.it_value = howMuchTimeFromNow(expiration);//获得与现在的时间差值，然后设置关注事件
int ret = ::timerfd_settime(timerfd, 0, &newValue, &oldValue);
if (ret)
{
LOG_SYSERR << "timerfd_settime()";
}
}

}
}
}

using namespace muduo;
using namespace muduo::net;
using namespace muduo::net::detail;

TimerQueue::TimerQueue(EventLoop* loop)
: loop_(loop),
timerfd_(createTimerfd()),
timerfdChannel_(loop, timerfd_),
timers_(),
callingExpiredTimers_(false)
{
timerfdChannel_.setReadCallback(
boost::bind(&TimerQueue::handleRead, this));
// we are always reading the timerfd, we disarm it with timerfd_settime.
timerfdChannel_.enableReading();//设置Channel的常规步骤
}

TimerQueue::~TimerQueue()
{
timerfdChannel_.disableAll();//channel不再关注任何事件
timerfdChannel_.remove();//在三角循环中删除此Channel
::close(timerfd_);
// do not remove channel, since we‘re in EventLoop::dtor();
for (TimerList::iterator it = timers_.begin();
it != timers_.end(); ++it)
{
delete it->second;//释放timer对象
}
}

TimerId TimerQueue::addTimer(const TimerCallback& cb,
Timestamp when,
double interval)
{//添加新的定时器
Timer* timer = new Timer(cb, when, interval);
loop_->runInLoop(
boost::bind(&TimerQueue::addTimerInLoop, this, timer));
return TimerId(timer, timer->sequence());
}

ifdef GXX_EXPERIMENTAL_CXX0X

TimerId TimerQueue::addTimer(TimerCallback&& cb,
Timestamp when,
double interval)
{
Timer* timer = new Timer(std::move(cb), when, interval);
loop_->runInLoop(
boost::bind(&TimerQueue::addTimerInLoop, this, timer));
return TimerId(timer, timer->sequence());
}

endif

void TimerQueue::cancel(TimerId timerId)
{//取消定时器
loop_->runInLoop(
boost::bind(&TimerQueue::cancelInLoop, this, timerId));
}

void TimerQueue::addTimerInLoop(Timer* timer)
{
loop_->assertInLoopThread();
bool earliestChanged = insert(timer);//是否将timer插入set的首部

//如果插入首部，更新timrfd关注的到期时间
if (earliestChanged)
{
resetTimerfd(timerfd_, timer->expiration());//启动定时器
}
}

void TimerQueue::cancelInLoop(TimerId timerId)
{//取消要关注的重复事件
loop_->assertInLoopThread();
assert(timers_.size() == activeTimers_.size());
ActiveTimer timer(timerId.timer_, timerId.sequence_);//获得索引
ActiveTimerSet::iterator it = activeTimers_.find(timer);
if (it != activeTimers_.end())
{//删除Timers_和activeTimers_中的Timer
size_t n = timers_.erase(Entry(it->first->expiration(), it->first));
assert(n == 1); (void)n;
delete it->first; // FIXME: no delete please
activeTimers_.erase(it);//删除活动的timer
}
else if (callingExpiredTimers_)
{//将删除的timer加入到取消的timer队列中
cancelingTimers_.insert(timer);//取消的定时器与重新启动定时器有冲突
}
assert(timers_.size() == activeTimers_.size());
}

void TimerQueue::handleRead()
{
loop_->assertInLoopThread();
Timestamp now(Timestamp::now());
readTimerfd(timerfd_, now);//读timerFd,防止一直出现可读事件，造成loop忙碌

std::vector

callingExpiredTimers_ = true;//将目前的状态调整为处理超时状态
cancelingTimers_.clear();//将取消的定时器清理掉
//更新完成马上就是重置，重置时依赖已经取消的定时器的条件，所以要将取消的定时器的队列清空
// safe to callback outside critical section
for (std::vector

reset(expired, now);//把具有重复属性的定时器重新加入定时器队列中
}

std::vector

for (std::vector

assert(timers_.size() == activeTimers_.size());//再次将timer_和activetimer同步
return expired;//返回超时的timerQueue
}

void TimerQueue::reset(const std::vector

for (std::vector

if (!timers_.empty())
{//如果目前的队列不为空，获得目前队首的到期时间
nextExpire = timers_.begin()->second->expiration();
}

if (nextExpire.valid())
{//如果到期时间不为0,重新设置timerfd应该关注的时间
resetTimerfd(timerfd_, nextExpire);
}
}

bool TimerQueue::insert(Timer* timer)
{//将Timer插入到两个同步的TimeQueue中，最关键的一个函数
loop_->assertInLoopThread();
assert(timers_.size() == activeTimers_.size());//判断两个Timer队列的同步bool earliestChanged = false;
Timestamp when = timer->expiration();//获得Timer的事件
TimerList::iterator it = timers_.begin();//得到Timer的begin
if (it == timers_.end() || when < it->first)
{//判断是否要将这个timer插入队首，如果是，更新timefd关注的到期事件
earliestChanged = true;
}

{//将Timer中按顺序插入timer_，set是有序集合，默认关键字<排列
std::pair

{//随意插入进入activeTimer_
std::pair

assert(timers_.size() == activeTimers_.size());//再次同步两个Timer
return earliestChanged;
}
```
上述代码注释足够多，还是那个问题，无序的set是否有出现的必要？