后端开发【一大波干货知识】定时器方案红黑树，时间轮，最小堆

目录：

• 一、如何组织定时任务？

• 定时器收网络 IO 处理造成误差特别大，该怎么处理？

• 用何种数据机构存储定时器？

• 红黑树如何解决相同时间的 key 值的？

• 最小堆

• 时间轮

• 一个帮助理解单层级时间轮的例子

• 如何解决空推进的问题？

• 为什么多线程使用时间轮

• 设计哪些接口，如何设计？

• 满足哪些条件才能作为定时器的数据结构？

• 二、定时的方法有哪些？

• 究竟什么是定时？

• 三、总结

一、如何组织定时任务？

首先，定时器组件通常和网络组件一起工作。举个最简单的例子来说：

int event=epoll_wait(epfd,ev,nev,timeout);

timeout 作为参数值，<0 为一直阻塞，=0 相当于非阻塞检测双端队列就绪情况 0 代表立刻返回,>0 数值表示最长阻塞的时间。在时间上需要应对的问题填入 epoll_wait 函数，就可以兼顾网络事件的处理和定时任务的处理。

定时器收网络 IO 处理造成误差特别大，该怎么处理？

• nginx,redis 中通过定时信号去处理+epoll_wait 解决，nginx_timer_revolusion()函数定时发送时间信号会打断 epoll_wait()的处理，让它尽快的处理定时事件，从而解决了误差较大的问题。很明显，如果网络 IO 处理事件时，会造成一定的误差。定时任务事件处理=epoll_wait 处理时间+网络事件处理时间。

//第一种:通过发送定时信号去打断epoll_wait函数while(!quit）{  int now=get_now_time();//单位:ms  int timeout=get_nearest_time()-now;  if(timeout<0)      timeout=0;  int nevent=epoll_wait(epfd,ev,nev,timeout);  for(int i=0;i<nevent;i++)  {      //网络事件处理  }  update_timer();、//时间事件处理}

单独开启一个线程，去处理定时任务。

//第二种：再其他线程添加定时任务void* thread_timer(void * thread_param){  init_timer();  while(!quit)  {      update_timer();      sleep(t);  }  clear_timer();  return nullptr;}

用何种数据机构存储定时器？

考虑这个问题要清楚，越近要触发的事件优先级越高。定时器存在的意义是处理延时任务，具体来说比如：定期检测客户连接状态，心跳检测，技能冷却 CD，倒计时，定时广播，界面实时刷新等等。

红黑树如何解决相同时间的 key 值的？

大家知道，stl::map 和 stl::set 是内部都是采用红黑树实现的，并没有要求 key 值一定要不同、

int find_nares_expire_timer(){        ngx_rbtree_node_t *node;        if(timer.root==&sentinel){            return -1;    }    node=ngx_rbtree_min(timer.root,timer.sentinel);    int diff=(int)node->key-(int)current_time();    return diff>0 ? diff :0;}

最小堆

最小堆是堆排序中一个子的流程，最小堆是一个完全二叉树（其他叶子节点都是满的，而最深的节点叶子都是靠在最左侧），用数组组织其中的元素。与用链表表示堆相比，数组表示堆不仅节省空间，而且更容易实现堆的插入、删除等操作。

• 某个节点:x

• 左子树索引:2x+1

• 右子树索引:2x+2

• 父节点索引:floor((x-1)/2)

需要注意的是：最小堆只关注父子的大小，不关注兄弟的大小。增加节点只有上升操作，删除节点有上升和下降，个人理解不管是删除还是增加，都是要先对树进行操作，而后维护树的正常秩序。红黑树和最小堆的增删都是 O(logn),在查找最小的就节点方面红黑树是 O(logh)，最小堆是 O(log1)，很明显最小堆比红黑树更加我稳定一些。

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时间轮

crontab 是 linux 的定时服务，它就是用时间轮实现的。与红黑树和最小堆不同的是，时间轮是多线程环境下使用的。tcp 的滑动窗口就是时间窗口的概念，这就是是单层级时间轮的实现。

• 限流:动态的，5 秒内有 100 次操作，换句话说一秒一秒的移动，限制在 100 次的操作。单层级时间轮就是实现的限流这个操作。更精确，但是

• 熔断:静态的，5 秒测一次，5 秒测一次的感觉。

一个帮助理解单层级时间轮的例子

在客户端给服务器发送心跳的这个过程中，老师举例客户端可能五秒发一次服务器十秒检测一次，如果没有收到心跳就会踢除连接。检测是否有过期连接的方法有两种：一种是每一个连接启动一个定时器，另一种是将所有的连接存放在 map<int,connect *>中，用一个定时器去检测上万个连接，因为有很多是新上来的连接，每秒去检测肯定是有很多次浪费的检测。要设计单层级时间轮要从两个方面考虑:一个是检测间隔时间的大小，另一个是时间轮的精度。

​公式:(5+10)/8=7

• 5 表示当前时间。

• 10 表示检测周期。

• 8 表示连接数。

计算机内部取余操作 m%n=m-n*floor(m/n)，x%16=x &(16-1)。时间轮根本就不怕任务多，任务越多越好。

如何解决空推进的问题？

• kafka 利用的是最小堆+单层级时间轮

• 多层级时间轮

为什么多线程使用时间轮

多线程要加锁，条件反射第一反应是锁的粒度。增加删除节点的时间复杂度都是 O(log1)，所以锁的粒度是最小的。上面也说到，红黑树和最小堆的时间复杂度都是 O(logn),所以都使用时间轮。设计哪些接口，如何设计？笔者认为，分析定时器该如何设计，当有新设计需求时完全可以借用此模式，所以是有必要用心学的。

//初始化定时器void init)timer();//添加定时器Node * add_timer(int expire,callback cb);//删除定时器bool del_timer(Node* node);//找到最近发生的定时任务Node* find_nearest_timer();//清除定时器void clear_timer();

满足哪些条件才能作为定时器的数据结构？

• 能够快速找到这个节点，增加和删除。

• 能够快速找到最小节点。

二、定时的方法有哪些？

究竟什么是定时？

定时是指在一段时间后欻某段代码的机制，我们可以利用这段代码有条不紊的处理所有到期的定时器。定时机制是定时器得以比处理的原动力。Linux 有三种定时方法:

• socket 选项 SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO。

• SIGALARM 信号。

• I/O 复用系统调用的超时参数。（上文提到的 epoll_wait()）。

socket 选项的 SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO 是用来设置 socket 几首数据和发送数据超时时间的。send,sendmsg,rcv,recvmsg,accept 和 connect 等系统调用都可以设置这个选项，根据这些系统调用的返回值以及 errno 来判断超时时间是否一道，然后去处理超时任务。

SIGALARM 信号是当 alarm()和 settimer()函数设置实时闹钟时被触发，然后我们利用这个信号的信号处理函数来处理定时任务。定时周期 T 反应了定时的精度，如果某个定时任务的超时时间不是 T 的整数倍，那么它实际被执行的时间和恶预期的时间将略有偏差。

Linux 下的三组 I/O 复用系统调用都带有超时参数，因此不仅能统一处理信号和 I/事件，也能同意处理定时事件。值得注意的是：I/O 复用系统调用可能在超时时间到期内就返回(I/O 事件发生)。如果我们要利用它们来定时，就需要不断的更新定时参数以反映剩余的时间。

更多的细节内容还要细致的研读游双先生的《Linux 高性能服务器编程》。

三、总结

通过零声学院 Mark 老师精彩的讲述定时器，让小生在定时器这个方面有了新的认识和突破，给鄙人领入了新的世界，开启了新的大门。

想想曾经，小可只沉溺于 Qt 中的 QTimer 类，就像一个烂醉如泥的懒汉，终日沉迷于花天酒地，只知开(颠)开(鸾)心(倒)心(凤)的酣畅，却不知阳春白雪正在向自己告别。虽然能够完成简单的任务，但是却从来没有发现其中藏着如此多的秘密。

现在的我，更像是一个满身泥泞，刚刚从大海中登陆抢滩的战士。

在 Mark 老师吹响嘹亮的冲锋号声中，尽管前进的道路上充满荆棘坎坷，但是为了胜利和尊严，不惜一切代价，奋勇争先。

生命不息，战斗不止

参考资料

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