如何实现一个定时器？看这一篇就够了

江南才子

　　

[size=2em]“本文主要介绍定时器作用，实现定时器数据结构选取，并详细介绍了跳表，红黑树，时间轮实现定时器的思路和方法。
[size=2em]”

定时器作用
定时器在各种场景都需要用到，比如游戏的Buff实现，Redis中的过期任务，Linux中的定时任务等等。顾名思义，定时器的主要用途是执行定时任务。

定时器数据结构选取
定时器数据结构要求：

• 需要快速找到到期任务，因此，应该具有有序性；
  
• 其过期执行、插入(添加定时任务)和删除(取消定时任务)的频率比较高，三种操作效率必须保证
  

以下为各数据结构时间复杂度表现
有序链表：插入O(n)，删除O(1)，过期expire执行O(1)
最小堆：插入O(logn)，删除O(logn)，过期expire执行O(1)
红黑树：插入O(logn)，删除O(logn)，过期expire执行O(logn)
哈希表+链表（时间轮）：插入O(1)，删除O(1)，过期expire平均执行O(1)（最坏为O(n)）
不同开源框架定时器实现方式不一，如，libuv采用最小堆来实现，nginx采用红黑树实现，linux内核和skynet采用时间轮算法实现等等。

定时器接口封装
作为定时器，需要封装以下4类接口给用户使用：

• 创建定时器：init_timer
  
• 添加定时任务：add_timer
  
• 取消定时任务：cancel_timer
  
• 执行到期任务：expire_timer
  

其中执行到期任务有两种工作方式：

• 轮询: 每隔一个时间片去查找哪些任务到期
  
• 睡眠/唤醒：不停查找deadline最近任务，到期执行，否则sleep；sleep期间，任务有改变，线程会被唤醒
  

接下来将介绍分别用跳表、红黑树、时间轮来实现定时器。

跳表实现定时器
跳表简介
跳表是一种动态的数据结构，采用空间换时间的思想，在有序链表基础上加入多级索引，通过索引进行二分快速查找，支持快速删除、插入和查找操作（平均时间复杂度为O(logN)，最坏为O(N)），效率可与平衡树媲美，实现比其简单。
下面通过一张图来简单说明跳表操作。跳表的最底层即为基本的有序链表，存储所有的数据，可理解为数据层；往上则为索引层，理想状态下，上一层为下一层节点数的一半。比如，要查找下图的数据为11的节点，从begin''出发，向右走，如果下一个节点大于11则往下走，直到找到目标节点。可见，跳表要比原始链表少比较一些节点，但前提是需要花更多空间存储索引节点。

image-20210323182236910跳表实现定时器

• 跳表查找，插入，删除(任意节点、头节点)的时间复杂度大概率趋向于O(logn)
  
• 过期任务查找，只需要跟第一个节点比较，因其第一个节点即为最小节点
  

学会吸取开源框架中优秀数据结构和代码思想，直接采用redis中跳表结构的实现，取出所需部分，用于实现定时器。如下：
跳表数据结构
跳表节点与跳表结构

/*skiplist.h*/#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32#define ZSKIPPLIST 0.25typedef struct zskiplistNode zskiplistNode;typedef void (*handler_pt) (zskiplistNode * node);// 跳表节点struct zskiplistNode {  unsigned long score;  /*用于排序的值*/  handler_pt handler;  /*处理函数*/  struct zskiplistLevel {    struct zskiplistNode **forward;  }level[];};// 跳表结构typedef struct zskiplist {  struct zskiplistNode * header;  int length;  int level;  /*跳表层数*/}zskiplist;

跳表接口申明
具体接口实现细节请移步redis源码。

/*skiplist.h*//*创建跳表，初始化*/zskiplist *zslCreate(void);/*删除跳，表释放资源*/void zslFree(zskiplist *zsl);/*插入节点*/zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, unsigned long score, handler_pt func);/*删除头节点*/void zsklDeleteHead(zskiplist *zsl);/*删除任意节点*/void zslDelete(zskiplist *zsl, zskplistNode *zn);/*打印，调试*/void zslPrint(zskiplist *zsl);

定时器接口实现
主要介绍四个接口实现：初始化定时器，添加定时任务，删除/取消定时任务，处理定时任务

// test_user.c  封装给用户使用的接口static uint32_tcurrent_time() { uint32_t t;    struct timespec ti;    clock_getttime(CLOCK_MONOTONIC, &ti);    t = (uint32_t)ti.tv_sec * 1000;    t += ti.tv_sec / 1000000;}zskiplist *init_timer() {    // 初始化定时器    return zslCreate();}zskiplistNode *add_timer(zskiplist *zsl, uint32_t msec, handler_pt func) {    // 添加定时任务    msec += current_time();    return zslInsert(zsl, msec, func);}void cancel_timer(zskiplist *zsl, zskiplistNode *zn) {    // 删除/取消定时任务    zslDelete(zsl, zn);}void expire_timer(zskiplist *zsl){    // 处理定时任务    zskiplistNode *x;    uint32_t now = current_time();    for (;;) {        x = zslMin(zsl);  // 最近节点        if (!x) break;        if (x->score > now)  break;  // 时间未到        x->handler(x);  // 执行相关定时任务        zslDeleteHead(zsl);  // 执行完删除    }}

红黑树实现定时器
红黑树
红黑树是一种自平衡的二叉查找树，即，插入和删除操作如果破坏树的平衡时，需要重新调整达到平衡状态。因此，是一种比较难的数据结构。
红黑树五条性质

• 每个节点要么是红色，要么是黑色
  
• 根节点是黑色
  
• 每个叶子结点是黑色
  
• 每个红节点的两个子节点一定是黑色
  
• 任意一节点到每个叶子节点的路径都含相同数目的黑结点
  

弄懂红黑树如何调整树的平衡，保证满足这5条性质，是比较麻烦，需要耐心的去推导一遍，此处不展开。
红黑树实现定时器
AVL 树平衡要求太高，维护平衡操作过多，较复杂；红黑树只需维护一个黑高度，效率较高
红黑树查找，删除，添加时间复杂度为：O(log(n))
吸取开源框架中优秀数据结构和代码思想，选用nginx中的红黑树结构
红黑树数据结构
红黑树节点与红黑树

// rbtree.h  红黑树数据结构以及相关接口，具体接口实现同上#ifndef _NGX_RBTREE_H_INCLUDE_#define _NGX_RBTREE_H_INCLUDE_typedef unsigned int ngx_rbtree_key_t;typedef unsigned int ngx_uint_t;typedef int ngx_rbtree_key_int_t;// 红黑树节点typedef struct ngx_rbtree_node_s  ngx_rbtree_node_t;struct ngx_rbtree_node_s {    ngx_rbtree_key_t key;    ngx_rbtree_node_t *left;    ngx_rbtree_node_t *right;    ngx_rbtree_node_t *parent;    u_char    color;  // 节点颜色    u_char    data;  // 节点数据};// 插入函数指针typedef void (*ngx_rbtree_insert_pt) (ngx_rbtree_node_t *root,     ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel);// 红黑树typedef struct ngx_rbtree_s ngx_rbtree_t;struct ngx_rbtree_s {    ngx_rbtree_node_t  *root;    ngx_rbtree_node_t  *sentinel;    ngx_rbtree_insert_pt insert;};

红黑树接口声明

// 红黑树初始化#define ngx_rbtree_init(tree, s, i)       \ ngx_rbtree_sentinel_init(s);      \ (tree)->root = s;        \ (tree)->sentinel = s;       \ (tree)->insert = i;        // 插入操作void ngx_rbtree_insert(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);// 删除操作void ngx_rbtree_delete(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);// 插入valuevoid ngx_rbtree_insert_value(ngx_rbtree_node_t *root, ngx_rbtree_node_t *node,                            ngx_rbtree_node_t *sentinel);// 插入timervoid ngx_rbtree_insert_timer_value(ngx_rbtree_node_t *root,                                  ngx_rbtree_node_t *node,                                  ngx_rbtree_node_t *sentinel);// 获取下一个节点ngx_rbtree_node_t *ngx_rbtree_next(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);#define ngx_rbt_red(node)    ((node)->color = 1)#define ngx_rbt_black(node)    ((node)->color = 0)#define ngx_rbt_is_red(node)   ((node)->color)#define ngx_rbt_is_black(node)   (!ngx_rbt_is_red(node))#define ngx_rbt_copy_color(n1, n2)  (n1->color = n2->color)#define ngx_rbtree_sentinel_init(node)  ngx_rbt_black(node)// 找到最小值，一直往左走即可static inline ngx_rbtree_node_t *ngx_rbtree_min(ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel){    while (node->left != sentinel){        node = node->left;    }    return node;}

定时器接口实现

// test_user.c  封装给用户使用的接口ngx_rbtree_t     timer;static ngx_rbtree_node_t   sentinel;typedef struct timer_entry_s timer_entry_t;typedef void (*timer_handler_pt)(timer_entry_t *ev);struct timer_entry_s {   ngx_rbtree_node_t timer;    timer_handler_pt  handler;};// 初始化int init_timer() {    ngx_rbtree_init(&timer, &sentinel, ngx_rbtree_insert_timer_value);    return 0;}// 添加定时任务void add_timer(timer_entry_t *te, uint32_t msec) {    msec += current_time();    te->timer.key = msec;    ngx_rbtree_insert(&timer, &te->timer);}// 取消定时void cancel_timer(timer_entry_t *te) {    ngx_rbtree_delete(&timer, &te->timer);}// 执行到期任务void expire_timer() {    timer_entry_t *te;    ngx_rbtree_node_t *sentinel, *root, *node;    sentinel = timer.sentinel;    uint32_t now = current_time();    for(;;){        root = timer.root;        if (root == sentinel) break;        if (node->key > now) break;        te = (timer_entry_t *) ((char *) node - offsetof(timer_entry_t, timer));        te->handler(te);        ngx_rbtree_delete(&timer, &te->timer);        free(te);    }}

以上，为红黑树和跳表实现的定时器，多线程环境下加锁粒度比较大，高并发场景下效率不高，而时间轮适合高并发场景，如下。

时间轮实现定时器
时间轮
可以用于高效的执行大量定时任务，如下为分层时间轮示意图：

timewheel时间轮可参考时钟进行理解，秒针(Seconds wheel)转一圈，则分针(Minutes wheel)走一格，分针(Minutes wheel)转一圈，则时针(Hours wheel)走一格。随着，时间的流逝，任务不断从上层流下下一层，最终到达秒针轮上，当秒针走到时执行。
如上所示，时间轮大小为8格，秒针1s转动一格，其每一格所指向的链表保存着待执行任务。比如，如果当前指针指向1，要添加一个3s后执行的任务，由于1+3=4，即在第4格的链表中添加一个任务节点即可。如果要添加一个10s后执行的任务，10+1=11，超过了秒针轮范围，因此需要对8取模11 % 8 = 3，即，会把这个任务放到分针轮上3对应的链表上，之后再从分针轮把任务丢到秒针轮上进行处理。也即，**秒针轮(Seconds wheel)**即保存着最近将要执行的任务，随着时间的流逝，任务会慢慢的从上层流到秒针轮中进行执行。
优点：加锁粒度较小，只需要加一个格子即可，一个格子对应一串链表；适合高并发场景
缺点：不好删除
如何解决时间轮定时任务删除？

• 通过引用计数来解决
  
• 交由业务层处理，将删除标记设为true , 在函数回调中根据这个标记判断是否需要处理
  

这里介绍两种定时器实现方案，一种是简单实现方案，另一种是skynet较为复杂的实现。
时间轮实现定时器
简单时间轮实现方案
功能场景：由心跳包进行超时连接检测，10s未收到则断开连接
一般做法：map<fd, *connect>每秒轮询这个结构，检测所有连接是否超时，收到心跳包，记录时间戳
缺点：效率很差，每次需要检测所有连接，时间复杂度为O(n)
优化：分治大法，只需检测快过期的连接， 采用hash数组+链表形式，数组大小设置成16 ：[0] + [1] + [2] + ... + [15] ，相同过期时间的放入一个数组，因此，每次只需检测最近过期的数组即可，不需要遍历所有。
数据结构定义
以下为定时器节点，增加引用计数ref， 只有当ref为0时删除连接。

class CTimerNode {public:    CTimerNode(int fd) : id(fd), ref(0) {}    void Offline() {this->ref = 0};    bool tryKill() {        if (this->ref == 0) return true;        DecRef();        if (this->ref == 0){            return true;        }        return false;    }    void IncRef() {this->ref++;}protected:    void DecRef() {this->ref--;}private:    int ref;    int id;}// 时间轮数组大小16, (x对16取余)==(x&1111) 落到0-15之间,即落到对应的数组const int TW_SIZE = 16;const in EXPIRE = 10; // 过期间隔const int TW_MASK = TW_SIZE - 1;  // 掩码, 用于对16取余static size_t iReadTick = 0;  // 滴答时钟typedef list<CTimerNode*> TimeList; // 数组每一个槽位对应一个listtypedef TimeList::iterator TimeListIter;typedef vector<TimeList> TimeWheel; // 时间轮

定时器接口

// 添加定时void AddTimeOut(TimerWheel &tw, CTimerNode *p) {    if (p) {        p->IncRef();        // 找到iRealTick对应数组的idx(槽位)        TimeList &le = tw[(iRealTick+EXPIRE) & TW_MASK];        le.push_back(p);  // 把时间节点加入list中    }}// 延时调用void AddTimeOutDelay(TimeWheel &tw, CTimerNode *p, size_t delay) {    if (p) {        p->IncRef();        TimeList &le = tw[(iRealTick + EXPIRE + delay) & TW_MASK];        le.push_back(p);    }}// 时间轮移动void TimerShift(TimeWheel &tw) {    size_t tick = iRealTick;    iRealTick++;    TimeList &le = tw[tick & TW_MASK];    TimeListIter iter = le.begin();    for (; iter != le.end(); iter++) {        CTimerNode *p = *iter;        if (p && p->trySkill()){            delete p;        }    }    le.clear();}

Skynet定时器实现方案
skynet中定时器数据结构
采用时间轮方式，hash表+链表实现，

struct timer_node {  //时间节点 struct timer_node *next;    uint32_t expire; //到期滴答数};struct link_list {  // 链表  struct timer_node head;  struct timer_node *tail;};struct timer { struct link_list near[256];  // 即将到来的定时器    struct link_list t[4][64]; // 相对较遥远的定时器    struct spinlock lock;    uint32_t time;  // 记录当前滴答数    uint64_t starttime;    uint64_t current;    uint64_t current_point;};

其中time为32位无符号整数， 记录时间片对应数组near[256] ，表示即将到来的定时任务， t[4][64]，表示较为遥远的定时任务。
定时器执行流程
skynet_time_wheelt[3]t[2]t[1]t[0]near26-32位20-26位14-20位8-14位0-8位[2^(8+6x3),2^(8+6x4)-1][2^(8+6x2),2^(8+6x3)-1][2^(8+6),2^(8+6x2)-1][2^8,2^(8+6) -1][0,2^8-1]

• 首先检查节点的expire与time的高24位是否相等，相等则将该节点添加到expire低8位值对应数组near的元素的链表中，不相等则进行下一步
  
• 检查expire与time的高18位是否相等，相等则将该节点添加到expire低第9位到第14位对应的6位二进制值对应数组t[0]的元素的链表中，否则进行下一步
  
• 检查expire与time的高12位是否相等，相等则将该节点添加到expire低第15位到第20位对应的6位二进制值对应数组t[1]的元素的链表中，如果不相等则进行下一步
  
• 检查expire与time的高6位是否相等，相等则将该节点添加到expire低第21位到第26位对应的6位二进制值对应数组t[2]的元素的链表中，如果不相等则进行下一步
  
• 将该节点添加到expire低第27位到第32位对应的6位二进制值对应数组t[3]的元素的链表中
  

以下为具体实现，仅贴出主要接口，具体细节请参考skynet源代码。
定时器初始化

// skynet_start.c// skynet 启动入口voidskynet_start(struct skynet_config * config) {    ...    skynet_timer_init();    ...}// skynet_timer.cvoidskynet_timer_init(void) {    // 创建全局timer结构 TI    TI  = timer_create_timer();    uint32_t current = 0;    systime(&TI->starttime, &current);    TI->current = current;    TI->current_point = gettime();}

添加定时器
通过skynet_server.c中的cmd_timeout调用skynet_timeout添加新的定时器

// TI为全局的定时器指针static struct timer * TI = NULL; int skynet_timeout(uint32_t handle, int time, int session) {    ...    struct timer_event event;    event.handle = handle;  // callback    eveng.session = session;    // 添加新的定时器节点    timer_add(TI, &event, sizeof(event), time);    return session;}// 添加新的定时器节点static void timer_add(struct timer *T, void 8arg, size_t sz, int time) {    // 给timer_node指针分配空间，还需要分配timer_node + timer_event大小的空间，    // 之后通过node + 1可获得timer_event数据    struct timer_node *node = (struct timer_node *)skynet_malloc(sizeof(*node)+sz);    memcpy(node+1,arg,sz);    SPIN_LOCK(T);    node->expire=time+T->time;    add_node(T, node);    SPIN_UNLOCK(T);}// 添加到定时器链表里，如果定时器的到期滴答数跟当前比较近(<2^8)，表示即将触发定时器添加到T->near数组里// 否则根据差值大小添加到对应的T->T[i]中static void add_node(struct timer *T, struct timer_node *node) {    ...}

驱动方式
skynet启动时，会创建一个线程专门跑定时器，每帧(0.0025s)调用skynet_updatetime()

// skynet_start.cstatic void * thread_timer(void *p) {    struct monitor * m = p;    skynet_initthread(THREAD_TIMER);    for (;;) {        skynet_updatetime();  // 调用timer_update        skynet_socket_updatetime();        CHECK_ABORT        wakeup(m,m->count-1);        usleep(2500);  // 2500微秒 = 0.0025s        if (SIG) {            signal_hup();            SIG = 0;        }    }    ...}

每个定时器设置一个到期滴答数，与当前系统的滴答数(启动时为0，1滴答1滴答往后跳，1滴答==0.01s ) 比较得到差值interval;
如果interval比较小(0 <= interval <= 2^8-1)，表示定时器即将到来，保存在第一部分前2^8个定时器链表中；否则找到属于第二部分对用的层级中。

// skynet_timer.cvoid skynet_updatetime(void) {    ...    uint32_t diff = (uint32_t)(cp - TI->current_point);     TI->current_point = cp;    TI->current += diff;    // diff单位为0.01s    for (i = 0; i < diff; i++){        timer_update(TI);            }}static voidtimer_update(struct timer *T) {    SPIN_LOCK(T);    timer_execute(T); // 检查T->near是否位空，有就处理到期定时器    timer_shift(T);  // 时间片time++，移动高24位的链表    timer_execute(T);    SPIN_UNLOCK(T);}// 每帧从T->near中触发到期得定时器static inline voidtimer_execute(struct timer *T) {  ...}// 遍历处理定时器链表中所有的定时器static inline voiddispatch_list(struct timer_node *current) {    ...}// 将高24位对应的4个6位的数组中的各个元素的链表往低位移static voidtimer_shift(struct timer *T) {    ...}// 将level层的idx位置的定时器链表从当前位置删除，并重新add_nodestatic void move_list(struct timer *T, int level, int idx) {}

最小堆实现定时器
最小堆实现例子：boost.asio采用二叉树，go采用四叉树， libuv
具体实现略。

总结
本文主要介绍定时器作用，实现定时器数据结构选取，并详细介绍了跳表，红黑树，时间轮实现定时器的思路和方法。

参考

　　跳表介绍
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1633338040568845450&wfr=spider&for=pc

　　Skynet GitHub
https://github.com/cloudwu/skynet

　　skynet源码剖析
https://zhongyiqun.gitbooks.io/skynet/content/18-skynetding-shi-qi-yuan-li.html