linux编程之经典多级时间轮定时器(C语言版)

linux编程之经典多级时间轮定时器(C语言版)

1

一.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。

多级时间轮应该至少包括以下内容：

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？

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/};1.2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structtvec和structtvec_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structlist_head的双向链表结构。

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：

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：

嵌入式物联网需要学的东西真的非常多，千万不要学错了路线和内容，导致工资要不上去！

无偿分享大家一个资料包，差不多150多G。里面学习内容、面经、项目都比较新也比较全！某鱼上买估计至少要好几十。

点击这里找小助理0元领取：加微信领取资料

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structlist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。

structlist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structlist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structlist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。

多级时间轮效果图：

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structlist_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。

#if!defined(_BLKID_LIST_H)&&!defined(LIST_HEAD)#define_BLKID_LIST_H#ifdefcplusplusextern“C”{#endif/Simpledoublylinkedlistimplementation.Someoftheinternalfunctions(“xxx”)areusefulwhen*manipulatingwholelistsratherthansingleentries,as*sometimeswealreadyknowthenext/preventriesandwecan*generatebettercodebyusingthemdirectlyratherthanusingthegenericsingle-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)staticinlinevoidlist_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→newelementExample:*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);}staticinlinevoidlist_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:thenewelementtoinsertIf@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‘tdereferenceposafterthebodyisdone(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)#ifdefcplusplus}#endif#endif/_BLKID_LIST_H/

这里面一般会用到一个重要实现：container_of,它的原理这里不叙述

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_LOGh#define_LOGh#include<stdio.h>#defineCOL(x)“\033[;”#x“m”#defineREDCOL(31)#defineGREENCOL(32)#defineYELLOWCOL(33)#defineBLUECOL(34)#defineMAGENTACOL(35)#defineCYANCOL(36)#defineWHITECOL(0)#defineGRAY“\033[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)#endif2.3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;}staticintmod_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_listtimer=(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\n”);return-1;}timer->expires=expires;returnmod_timer(timer,expires);}//添加一个定时器staticvoidti_add_timer(structtimer_list*timer){if(NULL!=timer->entry.next){errlog(“timerisalreadyexist\n”);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_listptimer;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_listptimer=(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_baseba=(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_basebase;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_basebase=(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_parapara=(structrequest_para)arg;log(“%d\n”,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_parapara;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;}2.4编译运行

peng@ubuntu:/mnt/hgfs/timer/4.timerwheel/2.多级时间轮\(lsa.outlist.hlog.hmutiTimeWheel.ctoney@ubantu:/mnt/hgfs/timer录/4.timerwheel/2.多级时间轮\)gccmutiTimeWheel.c-lpthreadtoney@ubantu:/mnt/hgfs/timer/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。

这个理论上是绝不能接受的：一个任务不应该也不能去影响其他的任务吧。但是目前没有对此问题进行改进和完善，以后有机会再继续完善吧。

end

文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/pmHS5IlW1gfQSyeIYu3IGQ

转载自：土豆居士一口Linux

文章来源：linux编程之经典多级时间轮定时器(C语言版)

版权申明：本文来源于网络，免费传达知识，版权归原作者所有。如涉及作品版权问题，请联系我进行删除。