时间轮(Timing Wheel)算法-高性能定时器策略笔记

原文转自：http://www.tanjp.com/archives/199 (即时修正和更新)

 

什么时候需要定时器？

我们都知道程序是能快速运算出结果，几乎在一瞬间就可以把结果算出来。但是这个前提是所有输入条件都拿到手的情况下，如果有些输入条件 A 你并不知道什么时候能符合，那怎么办？写一个whlie循环一直检查？这样无疑很浪费CPU，显然行不通。

有经验程序员可以已经想到办法，把这些等待输入条件 A, B, C, …等等全部记录起来，在其他相关事件触发时，顺便检查一下这些输入条件是否满足？如果满足就执行某个函数，否则下次再检查一次。这种做法，一般的业务系统都是可实现的。但是会导致代码繁琐而且也不好维护，并且当检查条件多了会导致系统性能大幅下降。这时候，就需要使用定时器来定时检查。

还有一种情况是，假设某个游戏战斗逻辑，一个法术攻击使得某个区域内中毒，持续时间从[t1, t2]。也就是说，在未来确定的时间点会发生某些事情的时候，就要在未来的某个时间点添加定时器事件。

图文代码请参照以上笔记

 

时间轮(Timing Wheel)算法

时间轮由多个时间格组成，每个时间格代表当前时间轮的基本时间跨度（tickMs）。时间轮的时间格个数是固定的，可用wheelSize来表示，那么整个时间轮的总体时间跨度（interval）可以通过公式 tickMs × wheelSize计算得出。时间轮还有一个表盘指针（currentTime），用来表示时间轮当前所处的时间，currentTime是tickMs的整数倍。currentTime可以将整个时间轮划分为到期部分和未到期部分，currentTime当前指向的时间格也属于到期部分，表示刚好到期，需要处理此时间格所对应的链表的所有任务。

若时间轮的tickMs=1ms，wheelSize=20，那么可以计算得出interval为20ms。初始情况下表盘指针currentTime指向时间格0，此时有一个定时为2ms的任务插入进来会存放到时间格为2的链表中。随着时间的不断推移，指针currentTime不断向前推进，过了2ms之后，当到达时间格2时，就需要将时间格2所对应的链表中的任务做相应的到期操作。此时若又有一个定时为8ms的任务插入进来，则会存放到时间格10中，currentTime再过8ms后会指向时间格10。如果同时有一个定时为19ms的任务插入进来怎么办？如果此时有个定时为350ms的任务该如何处理？当任务的到期时间超过了当前时间轮所表示的时间范围时，就会尝试添加到上层时间轮中。

图文代码请参照以上笔记

参考上图，复用之前的案例，第一层的时间轮tickMs=1ms, wheelSize=20, interval=20ms。第二层的时间轮的tickMs为第一层时间轮的interval，即为20ms。每一层时间轮的wheelSize是固定的，都是20，那么第二层的时间轮的总体时间跨度interval为400ms。以此类推，这个400ms也是第三层的tickMs的大小，第三层的时间轮的总体时间跨度为8000ms。

 

对于之前所说的350ms的定时任务，显然第一层时间轮不能满足条件，所以就升级到第二层时间轮中，最终被插入到第二层时间轮中时间格17所对应的链表中。如果此时又有一个定时为450ms的任务，那么显然第二层时间轮也无法满足条件，所以又升级到第三层时间轮中，最终被插入到第三层时间轮中时间格1的链表中。注意到在到期时间在[400ms,800ms)区间的多个任务（比如446ms、455ms以及473ms的定时任务）都会被放入到第三层时间轮的时间格1中，时间格1对应的链表的超时时间为400ms。随着时间的流逝，当次链表到期之时，原本定时为450ms的任务还剩下50ms的时间，还不能执行这个任务的到期操作。这里就有一个时间轮降级的操作，会将这个剩余时间为50ms的定时任务重新提交到层级时间轮中，此时第一层时间轮的总体时间跨度不够，而第二层足够，所以该任务被放到第二层时间轮到期时间为[40ms,60ms)的时间格中。再经历了40ms之后，此时这个任务又被“察觉”到，不过还剩余10ms，还是不能立即执行到期操作。所以还要再有一次时间轮的降级，此任务被添加到第一层时间轮到期时间为[10ms,11ms)的时间格中，之后再经历10ms后，此任务真正到期，最终执行相应的到期操作。

 

代码实现C++

1、基础节点类型和链表元素的添加和删除。图文代码请参照以上笔记

 

2、时间轮，一个轮子。图文代码请参照以上笔记

 

3、轮组，多个轮子组合起来。图文代码请参照以上笔记

 

4、封装接口，方便易用。图文代码请参照以上笔记

 

应用例子

添加一个Id为10的1000毫秒的定时器，触发5次后结束。还有添加一个Id为20的3000毫秒的定时器，无限触发。

图文代码请参照以上笔记

 

输出结果：

begin

now=1558125768212—–

now=1558125768220, times=8, had=0 —–

now=1558125769225, times=1005, had=1 —–

expired tid=10

—————-

now=1558125770237, times=1012, had=1 —–

expired tid=10

—————-

now=1558125771245, times=1008, had=1 —–

expired tid=20

expired tid=10

—————-

now=1558125772252, times=1007, had=1 —–

expired tid=10

—————-

now=1558125773256, times=1004, had=1 —–

expired tid=10

closed tid=10

—————-

now=1558125774261, times=1005, had=1 —–

expired tid=20

—————-

now=1558125775269, times=1008, had=0 —–

now=1558125776271, times=1002, had=0 —–

now=1558125777283, times=1012, had=1 —–

expired tid=20

—————-