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本文主要介紹定時器作用，實現定時器數據結構選取，并詳細介紹了跳表，紅黑樹，時間輪實現定時器的思路和方法。

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定時器作用

定時器在各種場景都需要用到，比如游戲的Buff實現，Redis中的過期任務，Linux中的定時任務等等。顧名思義，定時器的主要用途是執行定時任務。

定時器數據結構選取

定時器數據結構要求：

需要快速找到到期任務，因此，應該具有有序性；
其過期執行、插入(添加定時任務)和刪除(取消定時任務)的頻率比較高，三種操作效率必須保證

以下為各數據結構時間復雜度表現

有序鏈表：插入O(n)，刪除O(1)，過期expire執行O(1)

最小堆：插入O(logn)，刪除O(logn)，過期expire執行O(1)

紅黑樹：插入O(logn)，刪除O(logn)，過期expire執行O(logn)

哈希表+鏈表（時間輪）：插入O(1)，刪除O(1)，過期expire平均執行O(1)（最壞為O(n)）

不同開源框架定時器實現方式不一，如，libuv采用最小堆來實現，nginx采用紅黑樹實現，linux內核和skynet采用時間輪算法實現等等。

定時器接口封裝

作為定時器，需要封裝以下4類接口給用戶使用：

創建定時器：init_timer
添加定時任務：add_timer
取消定時任務：cancel_timer
執行到期任務：expire_timer

其中執行到期任務有兩種工作方式：

輪詢: 每隔一個時間片去查找哪些任務到期
睡眠/喚醒：不停查找deadline最近任務，到期執行，否則sleep；sleep期間，任務有改變，線程會被喚醒

接下來將介紹分別用跳表、紅黑樹、時間輪來實現定時器。

跳表實現定時器

跳表簡介

跳表是一種動態的數據結構，采用空間換時間的思想，在有序鏈表基礎上加入多級索引，通過索引進行二分快速查找，支持快速刪除、插入和查找操作（平均時間復雜度為O(logN)，最壞為O(N)），效率可與平衡樹媲美，實現比其簡單。

下面通過一張圖來簡單說明跳表操作。跳表的最底層即為基本的有序鏈表，存儲所有的數據，可理解為數據層；往上則為索引層，理想狀態下，上一層為下一層節點數的一半。比如，要查找下圖的數據為11的節點，從begin''出發，向右走，如果下一個節點大于11則往下走，直到找到目標節點。可見，跳表要比原始鏈表少比較一些節點，但前提是需要花更多空間存儲索引節點。

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跳表實現定時器

跳表查找，插入，刪除(任意節點、頭節點)的時間復雜度大概率趨向于O(logn)
過期任務查找，只需要跟第一個節點比較，因其第一個節點即為最小節點

學會吸取開源框架中優秀數據結構和代碼思想，直接采用redis中跳表結構的實現，取出所需部分，用于實現定時器。如下：

跳表數據結構

跳表節點與跳表結構

/*skiplist.h*/
#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32
#define ZSKIPPLIST 0.25

typedef struct zskiplistNode zskiplistNode;
typedef void (*handler_pt) (zskiplistNode * node);
// 跳表節點
struct zskiplistNode {
  unsigned long score;  /*用于排序的值*/
  handler_pt handler;  /*處理函數*/
  struct zskiplistLevel {
    struct zskiplistNode **forward;
  }level[];
};
// 跳表結構
typedef struct zskiplist {
  struct zskiplistNode * header;
  int length;
  int level;  /*跳表層數*/
}zskiplist;

跳表接口申明

具體接口實現細節請移步redis源碼。

/*skiplist.h*/
/*創建跳表，初始化*/
zskiplist *zslCreate(void);
/*刪除跳，表釋放資源*/
void zslFree(zskiplist *zsl);
/*插入節點*/
zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, unsigned long score, handler_pt func);
/*刪除頭節點*/
void zsklDeleteHead(zskiplist *zsl);
/*刪除任意節點*/
void zslDelete(zskiplist *zsl, zskplistNode *zn);
/*打印，調試*/
void zslPrint(zskiplist *zsl);

定時器接口實現

主要介紹四個接口實現：初始化定時器，添加定時任務，刪除/取消定時任務，處理定時任務

// test_user.c  封裝給用戶使用的接口
static uint32_t
current_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() {
    // 初始化定時器
    return zslCreate();
}
zskiplistNode *add_timer(zskiplist *zsl, uint32_t msec, handler_pt func) {
    // 添加定時任務
    msec += current_time();
    return zslInsert(zsl, msec, func);
}
void cancel_timer(zskiplist *zsl, zskiplistNode *zn) {
    // 刪除/取消定時任務
    zslDelete(zsl, zn);
}
void expire_timer(zskiplist *zsl){
    // 處理定時任務
    zskiplistNode *x;
    uint32_t now = current_time();
    for (;;) {
        x = zslMin(zsl);  // 最近節點
        if (!x) break;
        if (x->score > now)  break;  // 時間未到
        x->handler(x);  // 執行相關定時任務
        zslDeleteHead(zsl);  // 執行完刪除
    }
}

紅黑樹實現定時器

紅黑樹

紅黑樹是一種自平衡的二叉查找樹，即，插入和刪除操作如果破壞樹的平衡時，需要重新調整達到平衡狀態。因此，是一種比較難的數據結構。

紅黑樹五條性質

每個節點要么是紅色，要么是黑色
根節點是黑色
每個葉子結點是黑色
每個紅節點的兩個子節點一定是黑色
任意一節點到每個葉子節點的路徑都含相同數目的黑結點

弄懂紅黑樹如何調整樹的平衡，保證滿足這5條性質，是比較麻煩，需要耐心的去推導一遍，此處不展開。

紅黑樹實現定時器

AVL 樹平衡要求太高，維護平衡操作過多，較復雜；紅黑樹只需維護一個黑高度，效率較高

紅黑樹查找，刪除，添加時間復雜度為：O(log(n))

吸取開源框架中優秀數據結構和代碼思想，選用nginx中的紅黑樹結構

紅黑樹數據結構

紅黑樹節點與紅黑樹

// rbtree.h  紅黑樹數據結構以及相關接口，具體接口實現同上
#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;

// 紅黑樹節點
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;  // 節點顏色
    u_char    data;  // 節點數據
};
// 插入函數指針
typedef void (*ngx_rbtree_insert_pt) (ngx_rbtree_node_t *root,
     ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel);
// 紅黑樹
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;
};

紅黑樹接口聲明

// 紅黑樹初始化
#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);
// 刪除操作
void ngx_rbtree_delete(ngx_rbtree_t *tree, ngx_rbtree_node_t *node);
// 插入value
void ngx_rbtree_insert_value(ngx_rbtree_node_t *root, ngx_rbtree_node_t *node,
                            ngx_rbtree_node_t *sentinel);
// 插入timer
void ngx_rbtree_insert_timer_value(ngx_rbtree_node_t *root,
                                  ngx_rbtree_node_t *node,
                                  ngx_rbtree_node_t *sentinel);
// 獲取下一個節點
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;
}

定時器接口實現

// test_user.c  封裝給用戶使用的接口
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;
}
// 添加定時任務
void add_timer(timer_entry_t *te, uint32_t msec) {
    msec += current_time();
    te->timer.key = msec;
    ngx_rbtree_insert(&timer, &te->timer);
}
// 取消定時
void cancel_timer(timer_entry_t *te) {
    ngx_rbtree_delete(&timer, &te->timer);
}
// 執行到期任務
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，為紅黑樹和跳表實現的定時器，多線程環境下加鎖粒度比較大，高并發場景下效率不高，而時間輪適合高并發場景，如下。

時間輪實現定時器

時間輪

可以用于高效的執行大量定時任務，如下為分層時間輪示意圖：

timewheel

時間輪可參考時鐘進行理解，秒針(Seconds wheel)轉一圈，則分針(Minutes wheel)走一格，分針(Minutes wheel)轉一圈，則時針(Hours wheel)走一格。隨著，時間的流逝，任務不斷從上層流下下一層，最終到達秒針輪上，當秒針走到時執行。

如上所示，時間輪大小為8格，秒針1s轉動一格，其每一格所指向的鏈表保存著待執行任務。比如，如果當前指針指向1，要添加一個3s后執行的任務，由于1+3=4，即在第4格的鏈表中添加一個任務節點即可。如果要添加一個10s后執行的任務，10+1=11，超過了秒針輪范圍，因此需要對8取模11 % 8 = 3，即，會把這個任務放到分針輪上3對應的鏈表上，之后再從分針輪把任務丟到秒針輪上進行處理。也即，**秒針輪(Seconds wheel)**即保存著最近將要執行的任務，隨著時間的流逝，任務會慢慢的從上層流到秒針輪中進行執行。

優點：加鎖粒度較小，只需要加一個格子即可，一個格子對應一串鏈表；適合高并發場景

缺點：不好刪除

如何解決時間輪定時任務刪除？

通過引用計數來解決
交由業務層處理，將刪除標記設為true , 在函數回調中根據這個標記判斷是否需要處理

這里介紹兩種定時器實現方案，一種是簡單實現方案，另一種是skynet較為復雜的實現。

時間輪實現定時器

簡單時間輪實現方案

功能場景：由心跳包進行超時連接檢測，10s未收到則斷開連接

一般做法：map每秒輪詢這個結構，檢測所有連接是否超時，收到心跳包，記錄時間戳

缺點：效率很差，每次需要檢測所有連接，時間復雜度為O(n)

優化：分治大法，只需檢測快過期的連接，采用hash數組+鏈表形式，數組大小設置成16 ：[0] + [1] + [2] + ... + [15] ，相同過期時間的放入一個數組，因此，每次只需檢測最近過期的數組即可，不需要遍歷所有。

數據結構定義

以下為定時器節點，增加引用計數ref，只有當ref為0時刪除連接。

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;
}
// 時間輪數組大小16, (x對16取余)==(x&1111) 落到0-15之間,即落到對應的數組
const int TW_SIZE = 16;
const in EXPIRE = 10; // 過期間隔
const int TW_MASK = TW_SIZE - 1;  // 掩碼, 用于對16取余
static size_t iReadTick = 0;  // 滴答時鐘
typedef list

定時器接口

// 添加定時
void AddTimeOut(TimerWheel &tw, CTimerNode *p) {
    if (p) {
        p->IncRef();
        // 找到iRealTick對應數組的idx(槽位)
        TimeList &le = tw[(iRealTick+EXPIRE) & TW_MASK];
        le.push_back(p);  // 把時間節點加入list中
    }
}
// 延時調用
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);
    }
}
// 時間輪移動
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();
}