c c tv5(C语言如何实现经典多级时间轮定时器)

1. 序言

参考Linux源码中的实现

2. 多级时间轮实现框架

上图是5个时间轮级联的效果图。中间的大轮是工作轮,只有在它上的任务才会被执行;其他轮上的任务时间到后迁移到下一级轮上,他们最终都会迁移到工作轮上而被调度执行。

多级时间轮的原理也容易理解:就拿时钟做说明,秒针转动一圈分针转动一格;分针转动一圈时针转动一格;同理时间轮也是如此:当低级轮转动一圈时,高一级轮转动一格,同时会将高一级轮上的任务重新分配到低级轮上。从而实现了多级轮级联的效果。

2.1 多级时间轮对象

多级时间轮应该至少包括以下内容:

• 每一级时间轮对象

• 轮子上指针的位置

关于轮子上指针的位置有一个比较巧妙的办法:那就是位运算。比如定义一个无符号整型的数:

==通过获取当前的系统时间便可以通过位操作转换为时间轮上的时间,通过与实际时间轮上的时间作比较,从而确定时间轮要前进调度的时间,进而操作对应时间轮槽位对应的任务==。

为什么至少需要这两个成员呢?

• 定义多级时间轮,首先需要明确的便是级联的层数,也就是说需要确定有几个时间轮。

• 轮子上指针位置,就是当前时间轮运行到的位置,它与真实时间的差便是后续时间轮需要调度执行,它们的差值是时间轮运作起来的驱动力。

多级时间轮对象的定义

//实现5级时间轮范围为0~(2^8*2^6*2^6*2^6*2^6)=2^32structtvec_base{unsignedlongcurrent_index;pthread_tthincrejiffies;pthread_tthreadID;structtvec_roottv1;/*第一个轮*/structtvectv2;/*第二个轮*/structtvectv3;/*第三个轮*/structtvectv4;/*第四个轮*/structtvectv5;/*第五个轮*/};

2.2 时间轮对象

我们知道每一个轮子实际上都是一个哈希表,上面我们只是实例化了五个轮子的对象,但是五个轮子具体包含什么,有几个槽位等等没有明确(即struct tvec和struct tvec_root)。

#defineTVN_BITS6#defineTVR_BITS8#defineTVN_SIZE(1<<TVN_BITS)#defineTVR_SIZE(1<<TVR_BITS)structtvec{structlist_headvec[TVN_SIZE];/*64个格子*/};structtvec_root{structlist_headvec[TVR_SIZE];/*256个格子*/};

此外,每一个时间轮都是哈希表,因此它的类型应该至少包含两个指针域来实现双向链表的功能。这里我们为了方便使用通用的struct list_head的双向链表结构。

2.3 定时任务对象

定时器的主要工作是为了在未来的特定时间完成某项任务,而这个任务经常包含以下内容:

• 任务的处理逻辑(回调函数)

• 任务的参数

• 双向链表节点

• 到时时间

定时任务对象的定义

typedefvoid(*timeouthandle)(unsignedlong);structtimer_list{structlist_headentry;//将时间连接成链表unsignedlongexpires;//超时时间void(*function)(unsignedlong);//超时后的处理函数unsignedlongdata;//处理函数的参数structtvec_base*base;//指向时间轮};

在时间轮上的效果图:

2.4 双向链表

在时间轮上我们采用双向链表的数据类型。采用双向链表的除了操作上比单链表复杂,多占一个指针域外没有其他不可接收的问题。而多占一个指针域在今天大内存的时代明显不是什么问题。至于双向链表操作的复杂性,我们可以通过使用通用的struct list结构来解决,因为双向链表有众多的标准操作函数,我们可以通过直接引用list.h头文件来使用他们提供的接口。

struct list可以说是一个万能的双向链表操作框架,我们只需要在自定义的结构中定义一个struct list对象即可使用它的标准操作接口。同时它还提供了一个类似container_of的接口,在应用层一般叫做list_entry,因此我们可以很方便的通过struct list成员找到自定义的结构体的起始地址。

关于应用层的log.h, 我将在下面的代码中附上该文件。如果需要内核层的实现,可以直接从linux源码中获取。

2.5 联结方式

多级时间轮效果图:

3. 多级时间轮C语言实现

3.1 双向链表头文件: list.h

提到双向链表,很多的源码工程中都会实现一系列的统一的双向链表操作函数。它们为双向链表封装了统计的接口,使用者只需要在自定义的结构中添加一个struct list_head结构,然后调用它们提供的接口,便可以完成双向链表的所有操作。这些操作一般都在list.h的头文件中实现。Linux源码中也有实现(内核态的实现)。他们实现的方式基本完全一样,只是实现的接口数量和功能上稍有差别。可以说这个==list.h文件是学习操作双向链表的不二选择==,它几乎实现了所有的操作:增、删、改、查、遍历、替换、清空等等。这里我拼凑了一个源码中的log.h函数,终于凑够了多级时间轮中使用到的接口(原来的博主没有提供list.h文件,只能自己去东拼西凑)。

#if!defined(_BLKID_LIST_H)&&!defined(LIST_HEAD)#define_BLKID_LIST_H#ifdef__cplusplusextern"C"{#endif/**Simpledoublylinkedlistimplementation.**Someoftheinternalfunctions("__xxx")areusefulwhen*manipulatingwholelistsratherthansingleentries,as*sometimeswealreadyknowthenext/preventriesandwecan*generatebettercodebyusingthemdirectlyratherthan*usingthegenericsingle-entryroutines.*/structlist_head{structlist_head*next,*prev;};#defineLIST_HEAD_INIT(name){&(name),&(name)}#defineLIST_HEAD(name)structlist_headname=LIST_HEAD_INIT(name)#defineINIT_LIST_HEAD(ptr)do{(ptr)->next=(ptr);(ptr)->prev=(ptr);}while(0)staticinlinevoid__list_add(structlist_head*entry,structlist_head*prev,structlist_head*next){next->prev=entry;entry->next=next;entry->prev=prev;prev->next=entry;}/***Insertanewelementafterthegivenlisthead.Thenewelementdoesnot*needtobeinitialisedasemptylist.*Thelistchangesfrom:*head→someelement→...*to*head→newelement→olderelement→...**Example:*structfoo*newfoo=malloc(...);*list_add(&newfoo->entry,&bar->list_of_foos);**@paramentryThenewelementtoprependtothelist.*@paramheadTheexistinglist.*/staticinlinevoidlist_add(structlist_head*entry,structlist_head*head){__list_add(entry,head,head->next);}/***appendanewelementtotheendofthelistgivenwiththislisthead.**Thelistchangesfrom:*head→someelement→...→lastelement*to*head→someelement→...→lastelement→newelement**Example:*structfoo*newfoo=malloc(...);*list_add_tail(&newfoo->entry,&bar->list_of_foos);**@paramentryThenewelementtoprependtothelist.*@paramheadTheexistinglist.*/staticinlinevoidlist_add_tail(structlist_head*entry,structlist_head*head){__list_add(entry,head->prev,head);}staticinlinevoid__list_del(structlist_head*prev,structlist_head*next){next->prev=prev;prev->next=next;}/***Removetheelementfromthelistitisin.Usingthisfunctionwillreset*thepointersto/fromthiselementsoitisremovedfromthelist.Itdoes*NOTfreetheelementitselformanipulateitotherwise.**Usinglist_delonapurelisthead(likeintheexampleatthetopof*thisfile)willNOTremovethefirstelementfrom*thelistbutratherresetthelistasemptylist.**Example:*list_del(&foo->entry);**@paramentryTheelementtoremove.*/staticinlinevoidlist_del(structlist_head*entry){__list_del(entry->prev,entry->next);}staticinlinevoidlist_del_init(structlist_head*entry){__list_del(entry->prev,entry->next);INIT_LIST_HEAD(entry);}staticinlinevoidlist_move_tail(structlist_head*list,structlist_head*head){__list_del(list->prev,list->next);list_add_tail(list,head);}/***Checkifthelistisempty.**Example:*list_empty(&bar->list_of_foos);**@returnTrueifthelistcontainsoneormoreelementsorFalseotherwise.*/staticinlineintlist_empty(structlist_head*head){returnhead->next==head;}/***list_replace-replaceoldentrybynewone*@old:theelementtobereplaced*@new:thenewelementtoinsert**If@oldwasempty,itwillbeoverwritten.*/staticinlinevoidlist_replace(structlist_head*old,structlist_head*new){new->next=old->next;new->next->prev=new;new->prev=old->prev;new->prev->next=new;}/***Retrievethefirstlistentryforthegivenlistpointer.**Example:*structfoo*first;*first=list_first_entry(&bar->list_of_foos,structfoo,list_of_foos);**@paramptrThelisthead*@paramtypeDatatypeofthelistelementtoretrieve*@parammemberMembernameofthestructlist_headfieldinthelistelement.*@returnApointertothefirstlistelement.*/#definelist_first_entry(ptr,type,member)list_entry((ptr)->next,type,member)staticinlinevoidlist_replace_init(structlist_head*old,structlist_head*new){list_replace(old,new);INIT_LIST_HEAD(old);}/***list_entry-getthestructforthisentry*@ptr:the&structlist_headpointer.*@type:thetypeofthestructthisisembeddedin.*@member:thenameofthelist_structwithinthestruct.*/#definelist_entry(ptr,type,member)((type*)((char*)(ptr)-(unsignedlong)(&((type*)0)->member)))/***list_for_each-iterateoverelementsinalist*@pos:the&structlist_headtouseasaloopcounter.*@head:theheadforyourlist.*/#definelist_for_each(pos,head)for(pos=(head)->next;pos!=(head);pos=pos->next)/***list_for_each_safe-iterateoverelementsinalist,butdon"tdereference*posafterthebodyisdone(incaseitisfreed)*@pos:the&structlist_headtouseasaloopcounter.*@pnext:the&structlist_headtouseasapointertothenextitem.*@head:theheadforyourlist(notincludediniteration).*/#definelist_for_each_safe(pos,pnext,head)for(pos=(head)->next,pnext=pos->next;pos!=(head);pos=pnext,pnext=pos->next)#ifdef__cplusplus}#endif#endif/*_BLKID_LIST_H*/

这里面一般会用到一个重要实现:==container_of==, 它的原理如果不清楚的话,可以阅读另一篇专门介绍该函数的博文:container of()函数简介

3.2 调试信息头文件: log.h

这个头文件实际上不是必须的,我只是用它来添加调试信息(代码中的errlog(), log()都是log.h中的宏函数)。它的效果是给打印的信息加上颜色,效果如下:

log.h的代码如下:

#ifndef_LOG_h_#define_LOG_h_#include<stdio.h>#defineCOL(x)"33[;"#x"m"#defineREDCOL(31)#defineGREENCOL(32)#defineYELLOWCOL(33)#defineBLUECOL(34)#defineMAGENTACOL(35)#defineCYANCOL(36)#defineWHITECOL(0)#defineGRAY"33[0m"#defineerrlog(fmt,arg...)do{printf(RED"[#ERROR:ToenySun:"GRAYYELLOW"%s:%d]:"GRAYWHITEfmtGRAY,__func__,__LINE__,##arg);}while(0)#definelog(fmt,arg...)do{printf(WHITE"[#DEBUG:ToenySun:"GRAYYELLOW"%s:%d]:"GRAYWHITEfmtGRAY,__func__,__LINE__,##arg);}while(0)#endif

3.3 时间轮代码: timewheel.c

/**毫秒定时器采用多级时间轮方式借鉴linux内核中的实现*支持的范围为1~2^32毫秒(大约有49天)*若设置的定时器超过最大值则按最大值设置定时器**/#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<pthread.h>#include<sys/time.h>#include"list.h"#include"log.h"#defineTVN_BITS6#defineTVR_BITS8#defineTVN_SIZE(1<<TVN_BITS)#defineTVR_SIZE(1<<TVR_BITS)#defineTVN_MASK(TVN_SIZE-1)#defineTVR_MASK(TVR_SIZE-1)#defineSEC_VALUE0#defineUSEC_VALUE2000structtvec_base;#defineINDEX(N)((ba->current_index>>(TVR_BITS+(N)*TVN_BITS))&TVN_MASK)typedefvoid(*timeouthandle)(unsignedlong);structtimer_list{structlist_headentry;//将时间连接成链表unsignedlongexpires;//超时时间void(*function)(unsignedlong);//超时后的处理函数unsignedlongdata;//处理函数的参数structtvec_base*base;//指向时间轮};structtvec{structlist_headvec[TVN_SIZE];};structtvec_root{structlist_headvec[TVR_SIZE];};//实现5级时间轮范围为0~(2^8*2^6*2^6*2^6*2^6)=2^32structtvec_base{unsignedlongcurrent_index;pthread_tthincrejiffies;pthread_tthreadID;structtvec_roottv1;/*第一个轮*/structtvectv2;/*第二个轮*/structtvectv3;/*第三个轮*/structtvectv4;/*第四个轮*/structtvectv5;/*第五个轮*/};staticvoidinternal_add_timer(structtvec_base*base,structtimer_list*timer){structlist_head*vec;unsignedlongexpires=timer->expires;unsignedlongidx=expires-base->current_index;#if1if((signedlong)idx<0)/*这里是没有办法区分出是过时还是超长定时的吧?*/{vec=base->tv1.vec+(base->current_index&TVR_MASK);/*放到第一个轮的当前槽*/}elseif(idx<TVR_SIZE)/*第一个轮*/{inti=expires&TVR_MASK;vec=base->tv1.vec+i;}elseif(idx<1<<(TVR_BITS+TVN_BITS))/*第二个轮*/{inti=(expires>>TVR_BITS)&TVN_MASK;vec=base->tv2.vec+i;}elseif(idx<1<<(TVR_BITS+2*TVN_BITS))/*第三个轮*/{inti=(expires>>(TVR_BITS+TVN_BITS))&TVN_MASK;vec=base->tv3.vec+i;}elseif(idx<1<<(TVR_BITS+3*TVN_BITS))/*第四个轮*/{inti=(expires>>(TVR_BITS+2*TVN_BITS))&TVN_MASK;vec=base->tv4.vec+i;}else/*第五个轮*/{inti;if(idx>0xffffffffUL){idx=0xffffffffUL;expires=idx+base->current_index;}i=(expires>>(TVR_BITS+3*TVN_BITS))&TVN_MASK;vec=base->tv5.vec+i;}#else/*上面可以优化吧*/;#endiflist_add_tail(&timer->entry,vec);}staticinlinevoiddetach_timer(structtimer_list*timer){structlist_head*entry=&timer->entry;__list_del(entry->prev,entry->next);entry->next=NULL;entry->prev=NULL;}staticint__mod_timer(structtimer_list*timer,unsignedlongexpires){if(NULL!=timer->entry.next)detach_timer(timer);internal_add_timer(timer->base,timer);return0;}//修改定时器的超时时间外部接口intmod_timer(void*ptimer,unsignedlongexpires){structtimer_list*timer=(structtimer_list*)ptimer;structtvec_base*base;base=timer->base;if(NULL==base)return-1;expires=expires+base->current_index;if(timer->entry.next!=NULL&&timer->expires==expires)return0;if(NULL==timer->function){errlog("timer"stimeoutfunctionisnull");return-1;}timer->expires=expires;return__mod_timer(timer,expires);}//添加一个定时器staticvoid__ti_add_timer(structtimer_list*timer){if(NULL!=timer->entry.next){errlog("timerisalreadyexist");return;}mod_timer(timer,timer->expires);}/*添加一个定时器外部接口*返回定时器*/void*ti_add_timer(void*ptimewheel,unsignedlongexpires,timeouthandlephandle,unsignedlongarg){structtimer_list*ptimer;ptimer=(structtimer_list*)malloc(sizeof(structtimer_list));if(NULL==ptimer)returnNULL;bzero(ptimer,sizeof(structtimer_list));ptimer->entry.next=NULL;ptimer->base=(structtvec_base*)ptimewheel;ptimer->expires=expires;ptimer->function=phandle;ptimer->data=arg;__ti_add_timer(ptimer);returnptimer;}/**删除一个定时器外部接口***/voidti_del_timer(void*p){structtimer_list*ptimer=(structtimer_list*)p;if(NULL==ptimer)return;if(NULL!=ptimer->entry.next)detach_timer(ptimer);free(ptimer);}/*时间轮级联*/staticintcascade(structtvec_base*base,structtvec*tv,intindex){structlist_head*pos,*tmp;structtimer_list*timer;structlist_headtv_list;/*将tv[index]槽位上的所有任务转移给tv_list,然后清空tv[index]*/list_replace_init(tv->vec+index,&tv_list);/*用tv_list替换tv->vec+index*/list_for_each_safe(pos,tmp,&tv_list)/*遍历tv_list双向链表,将任务重新添加到时间轮*/{timer=list_entry(pos,structtimer_list,entry);/*structtimer_list中成员entry的地址是pos,获取structtimer_list的首地址*/internal_add_timer(base,timer);}returnindex;}staticvoid*deal_function_timeout(void*base){structtimer_list*timer;intret;structtimevaltv;structtvec_base*ba=(structtvec_base*)base;for(;;){gettimeofday(&tv,NULL);while(ba->current_index<=(tv.tv_sec*1000+tv.tv_usec/1000))/*单位:ms*/{structlist_headwork_list;intindex=ba->current_index&TVR_MASK;/*获取第一个轮上的指针位置*/structlist_head*head=&work_list;/*指针指向0槽时,级联轮需要更新任务列表*/if(!index&&(!cascade(ba,&ba->tv2,INDEX(0)))&&(!cascade(ba,&ba->tv3,INDEX(1)))&&(!cascade(ba,&ba->tv4,INDEX(2))))cascade(ba,&ba->tv5,INDEX(3));ba->current_index++;list_replace_init(ba->tv1.vec+index,&work_list);while(!list_empty(head)){void(*fn)(unsignedlong);unsignedlongdata;timer=list_first_entry(head,structtimer_list,entry);fn=timer->function;data=timer->data;detach_timer(timer);(*fn)(data);}}}}staticvoidinit_tvr_list(structtvec_root*tvr){inti;for(i=0;i<TVR_SIZE;i++)INIT_LIST_HEAD(&tvr->vec[i]);}staticvoidinit_tvn_list(structtvec*tvn){inti;for(i=0;i<TVN_SIZE;i++)INIT_LIST_HEAD(&tvn->vec[i]);}//创建时间轮外部接口void*ti_timewheel_create(void){structtvec_base*base;intret=0;structtimevaltv;base=(structtvec_base*)malloc(sizeof(structtvec_base));if(NULL==base)returnNULL;bzero(base,sizeof(structtvec_base));init_tvr_list(&base->tv1);init_tvn_list(&base->tv2);init_tvn_list(&base->tv3);init_tvn_list(&base->tv4);init_tvn_list(&base->tv5);gettimeofday(&tv,NULL);base->current_index=tv.tv_sec*1000+tv.tv_usec/1000;/*当前时间毫秒数*/if(0!=pthread_create(&base->threadID,NULL,deal_function_timeout,base)){free(base);returnNULL;}returnbase;}staticvoidti_release_tvr(structtvec_root*pvr){inti;structlist_head*pos,*tmp;structtimer_list*pen;for(i=0;i<TVR_SIZE;i++){list_for_each_safe(pos,tmp,&pvr->vec[i]){pen=list_entry(pos,structtimer_list,entry);list_del(pos);free(pen);}}}staticvoidti_release_tvn(structtvec*pvn){inti;structlist_head*pos,*tmp;structtimer_list*pen;for(i=0;i<TVN_SIZE;i++){list_for_each_safe(pos,tmp,&pvn->vec[i]){pen=list_entry(pos,structtimer_list,entry);list_del(pos);free(pen);}}}/**释放时间轮外部接口**/voidti_timewheel_release(void*pwheel){structtvec_base*base=(structtvec_base*)pwheel;if(NULL==base)return;ti_release_tvr(&base->tv1);ti_release_tvn(&base->tv2);ti_release_tvn(&base->tv3);ti_release_tvn(&base->tv4);ti_release_tvn(&base->tv5);free(pwheel);}/************demo****************/structrequest_para{void*timer;intval;};voidmytimer(unsignedlongarg){structrequest_para*para=(structrequest_para*)arg;log("%d",para->val);mod_timer(para->timer,3000);//进行再次启动定时器sleep(10);/*定时器依然被阻塞*///定时器资源的释放是在这里完成的//ti_del_timer(para->timer);}intmain(intargc,char*argv[]){void*pwheel=NULL;void*timer=NULL;structrequest_para*para;para=(structrequest_para*)malloc(sizeof(structrequest_para));if(NULL==para)return0;bzero(para,sizeof(structrequest_para));//创建一个时间轮pwheel=ti_timewheel_create();if(NULL==pwheel)return-1;//添加一个定时器para->val=100;para->timer=ti_add_timer(pwheel,3000,&mytimer,(unsignedlong)para);while(1){sleep(2);}//释放时间轮ti_timewheel_release(pwheel);return0;}

3.4 编译运行

toney@ubantu:/mnt/hgfs/em嵌入式学习记录/4.timerwheel/2.多级时间轮$lsa.outlist.hlog.hmutiTimeWheel.ctoney@ubantu:/mnt/hgfs/em嵌入式学习记录/4.timerwheel/2.多级时间轮$gccmutiTimeWheel.c-lpthreadtoney@ubantu:/mnt/hgfs/em嵌入式学习记录/4.timerwheel/2.多级时间轮$./a.out[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100[#DEBUG:ToenySun:mytimer:370]:100

从结果可以看出:如果添加的定时任务是比较耗时的操作,那么后续的任务也会被阻塞,可能一直到超时,甚至一直阻塞下去,这个取决于当前任务是否耗时。

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