时间轮（TimeWheel）的设计与实现

Posted 2020-07-06 luceion

 

一、前言

　　由于工作的需要，得实现一个用于控制事件超时抛弃的时间轮，由于这是一个相对独立的接口，就总结分享一下。

　　首先看下需求，此时间轮需要具备下面几个功能：

　　1）能添加事件，同时附上其超时时间；

　　2）如果事件正常执行结束，可以显示将其从时间轮上剔除掉，而不需要等时间轮自动移除；

　　3）如果事件到了设定的超时时间还没执行完，则时间轮需将其剔除掉，并发送一个超时的消息给系统。

　　基于这样的需求，下面就进行相应的设计和实现。

二、时间轮的设计

　　基于前面的需求，可以抽象出两个实体来：时钟和槽，其中时钟去负责指针的走动、获取等，而槽用来存储落在各个时间点的事件。同时还需要有三个行为：添加，正常执行的删除，超时的删除和发送消息。有了这样的抽象，首先设计了两个类Clocker和Slot，分别代表时钟和槽；对于几种行为，则需要放到一个主控制类中，设计为TimeWheel，将接口暴露给外部调用。这样系统的静态结构就出来了。

　　注意到，当事件超时后，需要发送消息出去，以供事件执行相关的处理，这里采用一种面向接口的编程方式。我们先定义一个接口Expiration，里面只有一个方法expired方法。具体的事件需要实现这个接口，这样在我们的时间轮中，只要超时，直接以传入的事件来调用expired方法即能起到发送消息的目的！

　　对着几部门进行组合，就有了主体框架类图。

　　

　　对于Clocker类，由于它要控制着时间的不停走动，得是一个单独的线程去完成。其中时间的走动，最好不用Thread.sleep去模拟；可以用一个空的阻塞队列，然后每次调用poll方法，设置间隔时间为超时时间，这样的效果会更好。对于一个新事件，带着超时时间来，需要找到其应在的指针位置，通常的做法就是按超时时间除以预定义好的间隔时间，获取一个偏移量，加上当前位置即可。

　　对于主类TimeWheel，由于在事件正常结束的时候，可以让事件主动从时间轮中将自己删除掉，因此其add方法就需要返回一个事件所在slot的位置；这样在remove的时候，连带位置信息，就可以方便找到坐在的slot，从中删除该事件。

　　当超时时间到时，需要将对应的slot中所有元素清除掉，这个工作可以在Slot类中完成，即将对应槽中所有元素取出来放到临时变量中，将当前槽清空，这样就能保证槽中不会有事件积压。对于取出的元素，调用对应的expired方法即可。

　　基于这样的设计，已经能够满足系统的需要了，并且运行的较为良好。

三、优化

　　对于上面的设计，细想会有一个可改造的点，就是对于超时元素执行expired方法是在TimeWheel线程里执行的，这样会有问题：

　　1）不确定expired方法执行所需要花费的时间，这样就有可能影响主线程；

　　2）如果expired方法出现异常，主线程可能会受到影响。

　　基于这样的考虑，我们可以把这些事件放到一个阻塞队列里，然后另起一个线程，专门去队列中取元素，执行expired方法。这样就很好的将expired操作和主线程隔离了开来。对于这样的设计，也就是典型的生产者-消费者模型，主线程TimeWheel负责生产数据，设计一个Release线程负责消费数据，仓库用阻塞队列承担，这样就较好的解决了这个问题，起到了优化的作用。