定时器的实现

一、定时器是什么 ?

定时器是组织大量定时任务的模块。
定时器是项目底层基础的一个模块，很多业务场景中都需要解决一个问题：延时处理某些任务。

二、定时器的应用

心跳检测
- keepalive。
- 应用层发送心跳包。
倒计时。
其他需要延时处理的功能。

三、定时器的实现原理

数据结构：
- 按照先后过期的任务进行排序。
  - 红黑树：nginx、workflow。
  - 最小堆：libevent（最小二叉堆）、libev（最小四叉堆）、libuv（最小四叉堆）、go（最小四叉堆）。任务比较多的时候，最小四叉堆比最小二叉堆性能高 5%。
  - 跳表：redis。
- 按照执行序进行组织
  - 时间轮：skynet、netty、kafka。
驱动方式：拿当前时间跟数据结构中的最小值进行比较，如果当前时间小于最小值，说明所有的任务都没有过期。
- reactor 网络编程模型 → IO 多路复用 + 非阻塞 IO。
- timerfd：内核提供的一种机制，把延时任务检测视为一个 IO 进行处理，那么就可以把 timerfd 交由 IO 多路复用进行管理。
- usleep 可以用来模拟时间指针移动，配合时间轮进行工作。

四、定时器的具体实现

数据结构 → 红黑树 → multimap（因为过期时间作为 key 会重复）/ set
- C++ 14 及以上版本实现了等价 key 的概念：只要比较方式一样，就是等价的 key。
- 基类的引用也具备多态性。
触发方式的使用：
- 使用 timerfd 进行触发。
- 使用 IO 多路复用的最后一个参数进行触发。

#include <sys/epoll.h>
#include <sys/timerfd.h>
#include <time.h> // for timespec itimerspec
#include <unistd.h> // for close#include <functional>
#include <chrono>
#include <set>
#include <memory>
#include <iostream>using namespace std;struct TimerNodeBase {time_t expire;uint64_t id; 
};struct TimerNode : public TimerNodeBase {using Callback = std::function<void(const TimerNode &node)>;Callback func;TimerNode(int64_t id, time_t expire, Callback func) : func(func) {this->expire = expire;this->id = id;}
};
/*基类的引用也具备多态性。支持 TimerNode 与 TimerNode 比较、TimerNode 与 TimerNodeBase 比较、TimerNodeBase 与 TimerNode 比较、TimerNodeBase 与 TimerNodeBase 比较
*/
bool operator < (const TimerNodeBase &lhd, const TimerNodeBase &rhd) {if (lhd.expire < rhd.expire) {return true;} else if (lhd.expire > rhd.expire) {return false;} else return lhd.id < rhd.id;
}class Timer {
public:static inline time_t GetTick() {return chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(chrono::steady_clock::now().time_since_epoch()).count();}/*1. std::bind()2. class operator()3. []() {}*/TimerNodeBase AddTimer(int msec, TimerNode::Callback func) {time_t expire = GetTick() + msec;if (timeouts.empty() || expire <= timeouts.crbegin()->expire) {// emplace 允许直接在集合中构造元素，避免了对象的拷贝auto pairs = timeouts.emplace(GenID(), expire, std::move(func));return static_cast<TimerNodeBase>(*pairs.first);}// 大多数时候 expire 是相同的，将 O(logn) 优化为 O(1) -> 总是往红黑树最右侧增加节点auto ele = timeouts.emplace_hint(timeouts.crbegin().base(), GenID(), expire, std::move(func));return static_cast<TimerNodeBase>(*ele);}void DelTimer(TimerNodeBase &node) {auto iter = timeouts.find(node);if (iter != timeouts.end())timeouts.erase(iter);}void HandleTimer(time_t now) {auto iter = timeouts.begin();while (iter != timeouts.end() && iter->expire <= now) {iter->func(*iter);iter = timeouts.erase(iter);}}public:virtual void UpdateTimerfd(const int fd) {struct timespec abstime;auto iter = timeouts.begin();if (iter != timeouts.end()) {abstime.tv_sec = iter->expire / 1000;abstime.tv_nsec = (iter->expire % 1000) * 1000000;} else {abstime.tv_sec = 0;abstime.tv_nsec = 0;}struct itimerspec its = {.it_interval = {},.it_value = abstime};timerfd_settime(fd, TFD_TIMER_ABSTIME, &its, nullptr);}private:static inline uint64_t GenID() {return gid++;}static uint64_t gid; set<TimerNode, std::less<>> timeouts;
};
uint64_t Timer::gid = 0;int main() {int epfd = epoll_create(1);int timerfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);struct epoll_event ev = {.events=EPOLLIN | EPOLLET};epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, timerfd, &ev);unique_ptr<Timer> timer = make_unique<Timer>();int i = 0;timer->AddTimer(1000, [&](const TimerNode &node) {cout << Timer::GetTick() << " node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;});timer->AddTimer(1000, [&](const TimerNode &node) {cout << Timer::GetTick() << " node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;});timer->AddTimer(3000, [&](const TimerNode &node) {cout << Timer::GetTick() << " node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;});auto node = timer->AddTimer(2100, [&](const TimerNode &node) {cout << Timer::GetTick() << " node id:" << node.id << " revoked times:" << ++i << endl;});timer->DelTimer(node);cout << "now time:" << Timer::GetTick() << endl;struct epoll_event evs[64] = {0};while (true) {timer->UpdateTimerfd(timerfd);int n = epoll_wait(epfd, evs, 64, -1);time_t now = Timer::GetTick();for (int i = 0; i < n; i++) {// for network event handle}timer->HandleTimer(now);}epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, timerfd, &ev);close(timerfd);close(epfd);return 0;
}