一、定時器

1、定時器是什么？

定時器不僅存在于硬件領域，在軟件層面（客戶端、網頁和服務端）也普遍應用，核心功能都是高效管理大量延時任務。不同應用場景下，其實現方式和使用方法有所差異。

2、定時器解決了什么問題？

可以定期清理緩存，定時備份數據，在服務器負載較大時，自動執行一些重要的功能，提高服務器的效率和穩定性。

3、是怎么解決的？

• 組織大量延時任務的數據結構(容器)
• 觸發最近將超時的任務的機制

4、實現方式：

• 對任務按觸發時間進行排序：紅黑樹(map，set，multimap，multiset)–nginx，最小堆–libevent,libev,go，應用在單線程場景下
  • 1、觸發時刻作為key，任務作為val
  • 2、快速找到最近要超時的任務
  • 3、觸發后要刪除該任務且支持隨時刪除任務
  • 4、允許相同時刻觸發任務
• 對執行順序進行組織：時間輪，針對當前時間指針做偏移。–netty，skynet，kafka，應用在多線程場景下

5、有哪些常用觸發機制？

• I/O多路復用的最后一個超時參數
• 將定時器轉化為io處理，timerfd

6、使用場景

• 與網絡模塊協同處理
• 基于事件驅動業務開展
• 除了協同網絡處理，復用系統調用

二、具體實現

1、采用紅黑樹，對任務按觸發時間進行排序

• map<key, value>: 以key存觸發時間，value存任務，那么可能存在多個同一時刻的任務,不選
• multimap<key, value>：可能存儲重復的值，然后操作起來比較麻煩，不選
• set: 不可能出現重復的，可以
  那么以一個自定義結構作為key值進行存儲，并且按觸發時間進行排序

typedef struct TimerNode_S{time_t expire;//過期時間uint64_t id;    //由于可能存在多個定時器在同一時間過期，所以需要一個唯一標識}TimerNode_S;bool operator < (const TimerNode_S& lhd, const TimerNode_S& rhd)
{if(lhd.expire < rhd.expire){return true;}else if(lhd.expire > rhd.expire){return false;}else{      //如果相等，誰先插入，誰就先執行return lhd.id < rhd.id;}
}set<TimerNode, less<>> timeouts;

2、計算最近觸發的定時任務離當前還有多久？

time_t TimeOut() 
{auto iter = timeouts.begin();if (iter == timeouts.end()) {return -1;}time_t t = iter->expire - GetTick();return t > 0 ? t : 0;
}

3、獲取當前時間

/**
* @brief 獲取當前時間的時間戳（以毫秒為單位）
*
* 使用 std::chrono::steady_clock 獲取從系統啟動到當前的時間
* std::chrono::system_clock，受系統時間影響，可能會被修改
*
* @return 返回當前時間的時間戳（以毫秒為單位）
*/
static inline time_t GetTick()                  
{return chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(chrono::steady_clock::now().time_since_epoch()).count();   
}

4、添加定時器

/**
* @brief 添加定時器
*
* 將一個定時器節點添加到定時器列表中，并返回該節點的標識。
*
* @param msec 定時器超時時間，單位為毫秒
* @param cb 定時器超時時執行的回調函數
*
* @return 返回定時器的標識，類型為 TimerNode_S
*/
TimerNode_S AddTimer(int msec, TimerNode::Callback cb)
{time_t expire = GetTick() + msec;       //過期時間if(timeouts.empty() || expire <= timeouts.crbegin()->expire){auto pairs = timeouts.emplace(GetID(), expire, move(cb));return static_cast<TimerNode_S>(*pairs.first);}auto ele = timeouts.emplace_hint(timeouts.crbegin().base(), GetID(), expire, move(cb));return static_cast<TimerNode_S>(*ele);
}

5、刪除定時器

/**
* @brief 刪除定時器節點
*
* 從定時器集合中刪除指定的定時器節點。
*
* @param node 需要刪除的定時器節點
*/
void DelTimer(TimerNode_S& node)
{auto iter = timeouts.find(node);if(iter != timeouts.end()){timeouts.erase(iter);}
}

6、處理定時器任務

/**
* @brief 處理超時事件
*
* 該函數遍歷超時事件列表，對于已超時的每個事件，調用其回調函數進行處理，并從列表中移除該事件。
*
* @param now 當前時間戳
*/
void HandleTimeout(time_t now)
{auto iter = timeouts.begin();while(iter != timeouts.end() && iter->expire <= now){iter->cb(*iter);iter = timeouts.erase(iter);}
}struct epoll_event evs[64] = {0};
while(true){int n = epoll_wait(epfd, evs, 64, timer->TimeOut());time_t now = CTimer::GetTick();for(int j = 0; j < n; ++j){cout<<"epoll_wait:"<<endl;}timer->HandleTimeout(now);
}

以上是采用I/O多路復用的最后一個超時參數，接下來更換成timerfd

7、主要調用的函數

/*
*功能：創建定時器
*clockfd: CLOCK_REALTIME-系統實時時鐘，與系統時間同步，受用戶手動修改時間影響。CLOCK_MONOTONIC-單調遞增時鐘，自系統啟動以來的時間，不受系統時間調整的影響
*flags:TFD_NONBLOCK（非阻塞模式）和 TFD_CLOEXEC（在 exec 調用時自動關閉文件描述符）          
*
*/
timerfd_create(int clockfd, int flags)；/*
* 功能：用于設置定時器的初始超時時間和后續周期時間
* fd：timerfd
* flags: 控制定時器行為的標志：
*       0-------絕對時間
*       TFD_TIMER_ABSTIME------表示相對時間
* new_value: 指定了定時器的初始超時時間和（可選的）后續周期時間
* old_value: 用于恢復定時器到之前的狀態,常設為nullptr
*/
int timerfd_settime(int fd, int flags, const struct itimerspec *new_value, struct itimerspec *old_value);

8、將之前的計算觸發時間的方式改成timerfd

void UpdateTimerfd(const int fd) {struct timespec abstime;auto iter = timeouts.begin();if (iter != timeouts.end()) {abstime.tv_sec = iter->expire / 1000;abstime.tv_nsec = (iter->expire % 1000) * 1000000;} else {abstime.tv_sec = 0;abstime.tv_nsec = 0;}struct itimerspec its = {.it_interval = {},.it_value = abstime};timerfd_settime(fd, TFD_TIMER_ABSTIME, &its, nullptr);
}int tfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);struct epoll_event evs[64] = {0};
while(true){timer->UpdateTimerfd(tfd);int n = epoll_wait(epfd, evs, 64, -1);time_t now = CTimer::GetTick();for(int j = 0; j < n; ++j){cout<<"epoll_wait:"<<endl;}timer->HandleTimeout(now);
}

三、總結

• 定時器在程序中無處不在，無論是硬件，還是網頁，客戶端，服務端等。
• 在服務端上合理地使用定時器，能提高服務器的效率和穩定性，如定時清理緩存，在服務器高負載情況下，自動執行一些重要的任務等。
• 定時器的數據結構多種多樣，有根據觸發時間排序的紅黑樹，最小堆，也有根據執行順序的時間輪。
• 服務端常與網絡模塊協同處理
• 服務端常基于事件驅動業務開展
• 服務端除了協同網絡處理，復用系統調用

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