muduo网络库学习笔记(10)：定时器的实现

Posted 2020-08-10 li27z

传统的Reactor通过控制select和poll的等待时间来实现定时，而现在在Linux中有了timerfd，我们可以用和处理IO事件相同的方式来处理定时，代码的一致性更好。

为什么选择timerfd

常见的定时函数有如下几种：

sleep 
alarm 
usleep 
nanosleep 
clock_nanosleep 
getitimer / setitimer 
timer_create / timer_settime / timer_gettime / timer_delete 
timerfd_create / timerfd_gettime / timerfd_settime

我们之所以选择timerfd，是因为：
1.sleep / alarm / usleep 在实现时有可能用了信号 SIGALRM，在多线程程序中处理信号是个相当麻烦的事情，应当尽量避免。
2.nanosleep 和 clock_nanosleep 是线程安全的，但是在非阻塞网络编程中，绝对不能用让线程挂起的方式来等待一段时间，程序会失去响应。正确的做法是注册一个时间回调函数。
3.getitimer 和 timer_create 也是用信号来传递超时，在多线程程序中也会有麻烦。
4.timer_create 可以指定信号的接收方是进程还是线程，算是一个进步，不过在信号处理函数(signal handler)能做的事情实在很受限。
5.timerfd_create 把时间变成了一个文件描述符，该“文件”在定时器超时的那一刻变得可读，这样就能很方便地融入到 select/poll 框架中，用统一的方式来处理 IO 事件和超时事件，这也正是 Reactor 模式的长处。

timerfd相关函数介绍:

#include <sys/timerfd.h>

/**
 * 此函数用于创建一个定时器文件
 * 参数clockid可以是CLOCK_MONOTONIC或者CLOCK_REALTIME
 * 参数flags可以是0或者TFD_CLOEXEC/TFD_NONBLOCK
 * 函数返回值是一个文件句柄fd
 */
int timerfd_create(int clockid, int flags);

/**
 * 此函数用于设置新的超时时间，并开始计时
 * 参数fd是timerfd_create返回的文件句柄
 * 参数flags为TFD_TIMER_ABSTIME(1)代表设置的是绝对时间；为0代表相对时间
 * 参数new_value为需要设置的超时和间隔时间
 * 参数old_value为定时器这次设置之前的超时时间
 * 函数返回0代表设置成功
 */
int timerfd_settime(int fd, int flags, const struct itimerspec *new_value, struct itimerspec *old_value);

/**
 * 此函数用于获得定时器距离下次超时还剩下的时间
 * 如果调用时定时器已经到期，并且该定时器处于循环模式
 * 即设置超时时间时struct itimerspec::it_interval不为0
 * 那么调用此函数之后定时器重新开始计时
 */ 
int timerfd_gettime(int fd, struct itimerspec *curr_value);

itimerspec结构体;
struct itimerspec {
    struct timespec it_interval;  // interval for periodic timer
    struct timespec it_value;     // initial expiration
};

struct timespec {
    time_t tv_sec;  // seconds
    long tv_nsec;   // nano-seconds
};

muduo定时器的实现

muduo的定时器功能由三个class实现，TimerId、Timer、TimerQueue，用户只能看到第一个class，另外两个都是内部实现细节。

TimerId被设计用来取消Timer的，它的结构很简单，只有一个Timer指针和其序列号。其中还声明了TimerQueue为其友元，可以操作其私有数据。

Timer是对定时器的高层次抽象，封装了定时器的一些参数，例如超时回调函数、超时时间、超时时间间隔、定时器是否重复、定时器的序列号。其函数大都是设置这些参数，run()用来调用回调函数，restart()用来重启定时器（如果设置为重复）。

重点介绍一下TimerQueue类。

TimerQueue class

TimerQueue的接口很简单，只有两个函数addTimer()和cancel()。它的内部有channel，和timerfd相关联。添加新的Timer后，在超时后，timerfd可读，会处理channel事件，之后调用Timer的回调函数；在timerfd的事件处理后，还会检查一遍超时定时器，如果其属性为重复还会再次添加到定时器集合中。

时序图：

(1)TimerQueue数据结构的选择
TimerQueue需要高效地组织目前尚未到期的Timer，能快速地根据当前时间找到已经到期的Timer，也要能高效地添加和删除Timer。因而可以用二叉搜索树(例如std::set/std::map)，把Timer按到期时间先后排好序，其操作的复杂度是O(logN)，但我们使用时还要处理两个Timer到期时间相同的情况(map不支持key相同的情况)，做法如下：

// 两种类型的set，一种按时间戳排序，一种按Timer的地址排序
// 实际上，这两个set保存的是相同的定时器列表

typedef std::pair<Timestamp, Timer*> Entry;
typedef std::set<Entry> TimerList;

typedef std::pair<Timer*, int64_t> ActiveTimer;
typedef std::set<ActiveTimer> ActiveTimerSet;

(2)代码分析

文件名：TimerQueue.h

#ifndef MUDUO_NET_TIMERQUEUE_H
#define MUDUO_NET_TIMERQUEUE_H

#include <set>
#include <vector>

#include <boost/noncopyable.hpp>

#include <muduo/base/Mutex.h>
#include <muduo/base/Timestamp.h>
#include <muduo/net/Callbacks.h>
#include <muduo/net/Channel.h>

namespace muduo
{
namespace net
{

class EventLoop;
class Timer;
class TimerId;

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

  // 一定是线程安全的，可以跨线程调用。通常情况下被其它线程调用。
  TimerId addTimer(const TimerCallback& cb,
                   Timestamp when,
                   double interval);

  void cancel(TimerId timerId);

 private:

  // FIXME: use unique_ptr<Timer> instead of raw pointers.
  // unique_ptr是C++ 11标准的一个独享所有权的智能指针
  // 无法得到指向同一对象的两个unique_ptr指针
  // 但可以进行移动构造与移动赋值操作，即所有权可以移动到另一个对象（而非拷贝构造）
  typedef std::pair<Timestamp, Timer*> Entry;
  typedef std::set<Entry> TimerList;
  typedef std::pair<Timer*, int64_t> ActiveTimer;
  typedef std::set<ActiveTimer> ActiveTimerSet;

  // 以下成员函数只可能在其所属的I/O线程中调用，因而不必加锁。
  // 服务器性能杀手之一是锁竞争，所以要尽可能少用锁
  void addTimerInLoop(Timer* timer);
  void cancelInLoop(TimerId timerId);

  // called when timerfd alarms
  void handleRead();

  // 返回超时的定时器列表
  std::vector<Entry> getExpired(Timestamp now);
  void reset(const std::vector<Entry>& expired, Timestamp now);

  bool insert(Timer* timer);
  EventLoop* loop_;  // 所属的EventLoop
  const int timerfd_;
  Channel timerfdChannel_;
  TimerList timers_;  // timers_是按到期时间排序

  // for cancel()
  // timers_与activeTimers_保存的是相同的数据
  // timers_是按到期时间排序，activeTimers_是按对象地址排序
  ActiveTimerSet activeTimers_;
  bool callingExpiredTimers_;  // 是否正在处理超时事件
  ActiveTimerSet cancelingTimers_;  // 保存的是被取消的定时器
};

}
}
#endif  //MUDUO_NET_TIMERQUEUE_H

文件名：TimerQueue.cc

#define __STDC_LIMIT_MACROS
#include <muduo/net/TimerQueue.h>

#include <muduo/base/Logging.h>
#include <muduo/net/EventLoop.h>
#include <muduo/net/Timer.h>
#include <muduo/net/TimerId.h>

#include <boost/bind.hpp>

#include <sys/timerfd.h>

namespace muduo
{
namespace net
{
namespace detail
{

// 创建定时器，用到了timerfd_create()
int createTimerfd()
{
  int timerfd = ::timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC,
                                 TFD_NONBLOCK | TFD_CLOEXEC);
  if (timerfd < 0)
  {
    LOG_SYSFATAL << "Failed in timerfd_create";
  }
  return timerfd;
}

// 计算超时时刻与当前时间的时间差
struct timespec howMuchTimeFromNow(Timestamp when)
{
  int64_t microseconds = when.microSecondsSinceEpoch()
                         - Timestamp::now().microSecondsSinceEpoch();

  // 精确度没有设置那么高，所以小于100ms时都置为100
  if (microseconds < 100)
  {
    microseconds = 100;
  }
  struct timespec ts;
  ts.tv_sec = static_cast<time_t>(
      microseconds / Timestamp::kMicroSecondsPerSecond);
  ts.tv_nsec = static_cast<long>(
      (microseconds % Timestamp::kMicroSecondsPerSecond) * 1000);
  return ts;
}

// 处理超时事件。超时后，timerfd变为可读
void readTimerfd(int timerfd, Timestamp now)
{
  uint64_t howmany;  // howmany为超时次数
  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";
  }
}

// 重置定时器的超时时间，用到了timerfd_settime()
void resetTimerfd(int timerfd, Timestamp expiration)
{
  // 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);
  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;

// 构造函数
TimerQueue::TimerQueue(EventLoop* loop)
  : loop_(loop),
    timerfd_(createTimerfd()),  // 创建timerfd
    timerfdChannel_(loop, timerfd_),  // timerfd关联的channel
    timers_(),
    callingExpiredTimers_(false)
{
  timerfdChannel_.setReadCallback(
      boost::bind(&TimerQueue::handleRead, this));
  // we are always reading the timerfd, we disarm it with timerfd_settime.
  timerfdChannel_.enableReading();  // timerfd对应的channel监听事件为可读事件
}

// 析构函数
TimerQueue::~TimerQueue()
{
  ::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;  // 手动释放Timer*
  }
}

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

// 取消定时器
void TimerQueue::cancel(TimerId timerId)
{
  cancelInLoop(timerId);
}

// 添加定时器时实际调用了addTimerInLoop()
void TimerQueue::addTimerInLoop(Timer* timer)
{
  loop_->assertInLoopThread();
  // 插入一个定时器，有可能会使得最早到期的定时器发生改变
  bool earliestChanged = insert(timer);

  if (earliestChanged)
  {
    // 重置定时器的超时时刻(timerfd_settime)
    resetTimerfd(timerfd_, timer->expiration());
  }
}

// 取消定时器时实际调用了cancelInLoop()
void TimerQueue::cancelInLoop(TimerId timerId)
{
  loop_->assertInLoopThread();
  assert(timers_.size() == activeTimers_.size());
  ActiveTimer timer(timerId.timer_, timerId.sequence_);  // 要取消的定时器timer
  // 查找该定时器
  ActiveTimerSet::iterator it = activeTimers_.find(timer);

  // 要取消的在当前激活的Timer集合中
  if (it != activeTimers_.end())
  {
    size_t n = timers_.erase(Entry(it->first->expiration(), it->first));  // 从timers_中移除
    assert(n == 1); (void)n;
    delete it->first;  // FIXME:如果用了unique_ptr，这里就不需要手动删除了
    activeTimers_.erase(it);  // 从activeTimers_中移除
  }
  // 如果正在执行超时定时器的回调函数，则加入到cancelingTimers集合中
  else if (callingExpiredTimers_)
  {
    cancelingTimers_.insert(timer); 
  }
  assert(timers_.size() == activeTimers_.size());
}

void TimerQueue::handleRead()
{
  loop_->assertInLoopThread();
  Timestamp now(Timestamp::now());
  readTimerfd(timerfd_, now);  // 读timerfd

  // 获取该时刻之前所有的定时器列表(即超时定时器列表)
  std::vector<Entry> expired = getExpired(now);

  callingExpiredTimers_ = true;
  cancelingTimers_.clear();

  for (std::vector<Entry>::iterator it = expired.begin();
      it != expired.end(); ++it)
  {
    // 这里回调定时器处理函数
    it->second->run();
  }
  callingExpiredTimers_ = false;

  // 把重复的定时器重新加入到定时器中
  reset(expired, now);
}

// rvo即Return Value Optimization
// 是一种编译器优化技术，可以把通过函数返回创建的临时对象给”去掉”
// 然后达到少调用拷贝构造的操作，从而提高性能
std::vector<TimerQueue::Entry> TimerQueue::getExpired(Timestamp now)
{
  assert(timers_.size() == activeTimers_.size());
  std::vector<Entry> expired;
  // UINTPTR_MAX表示最大的地址
  Entry sentry(now, reinterpret_cast<Timer*>(UINTPTR_MAX));

  // 返回第一个未到期的Timer的迭代器
  // lower_bound的含义是返回第一个值>=sentry的元素的iterator
  // 即*end >= sentry，从而end->first > now
  // 注意：此处是>，而不是>=
  TimerList::iterator end = timers_.lower_bound(sentry);
  assert(end == timers_.end() || now < end->first);

  // 将[begin end)区间的元素(到期的)追加到expired末尾
  std::copy(timers_.begin(), end, back_inserter(expired));

  // 从timers_中移除到期的定时器
  timers_.erase(timers_.begin(), end);

  // 从activeTimers_中移除到期的定时器
  for (std::vector<Entry>::iterator it = expired.begin();
      it != expired.end(); ++it)
  {
    ActiveTimer timer(it->second, it->second->sequence());
    size_t n = activeTimers_.erase(timer);
    assert(n == 1); (void)n;
  }

  assert(timers_.size() == activeTimers_.size());
  return expired;
}

void TimerQueue::reset(const std::vector<Entry>& expired, Timestamp now)
{
  Timestamp nextExpire;

  for (std::vector<Entry>::const_iterator it = expired.begin();
      it != expired.end(); ++it)
  {
    ActiveTimer timer(it->second, it->second->sequence());

    // 如果是重复的定时器并且不在cancelingTimers_集合中，则重启该定时器
    if (it->second->repeat()
        && cancelingTimers_.find(timer) == cancelingTimers_.end())
    {
      it->second->restart(now);
      insert(it->second);
    }
    else
    {
      // 一次性定时器或者已被取消的定时器是不能重置的，因此删除该定时器
      // FIXME move to a free list
      delete it->second; //FIXME: no delete please
    }
  }

  if (!timers_.empty())
  {
    // 获取最早到期的定时器超时时间
    nextExpire = timers_.begin()->second->expiration();
  }

  if (nextExpire.valid())
  {
    // 重置定时器的超时时刻(timerfd_settime)
    resetTimerfd(timerfd_, nextExpire);
  }
}

// 插入一个timer
bool TimerQueue::insert(Timer* timer)
{
  loop_->assertInLoopThread();
  assert(timers_.size() == activeTimers_.size())；
  bool earliestChanged = false;
  Timestamp when = timer->expiration();
  TimerList::iterator it = timers_.begin();

  // 如果timers_为空或者when小于timers_中的最早到期时间
  if (it == timers_.end() || when < it->first)
  {
    earliestChanged = true;
  }
  {
    // 插入到timers_中
    std::pair<TimerList::iterator, bool> result
      = timers_.insert(Entry(when, timer));
    assert(result.second); (void)result;
  }
  {
    // 插入到activeTimers_中
    std::pair<ActiveTimerSet::iterator, bool> result
      = activeTimers_.insert(ActiveTimer(timer, timer->sequence()));
    assert(result.second); (void)result;
  }

  assert(timers_.size() == activeTimers_.size());
  return earliestChanged;
}