用最小堆实现通用的高效定时器组件-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了用最小堆实现通用的高效定时器组件。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

用最小堆实现通用的高效定时器组件

开篇

在程序开发过程中，定时器会经常被使用到。而在Linux应用开发中，系统定时器资源有限，进程可创建的定时器数量会受到系统限制。假如随便滥用定时器，会导致定时器资源不足，其他模块便无法申请到定时器资源。
如上，假如同一进程中多个模块，需要同时申请不同周期定时器，就会导致模块创建定时器失败。

解决方案

为解决定时器资源紧缺的问题，通常有以下几种方案：

最小堆方式
① 首先创建一个系统定时器，设置为一次性触发。
② 其次基于二叉堆数据结构，将每个定时任务按照时触发时间戳先后顺序依次排列。
③ 每次取堆顶定时器任务时间戳，计算出触发时间，启动并更新系统定时器触发时间。
④ 定时器触发后，检查堆顶部的定时任务是否超时，超时触发对应事件，将定时器任务移除堆顶，重复③。（若定时任务为周期任务，则将其按照下次触发时间戳插入至二叉堆）
时间轮方式
① 首先创建一个系统定时器，设置为周期性触发，周期为多个定时任务可共用的最小颗粒度。
② 定义环形数组，将时间划分为多个槽，每个槽放多个定时任务。
③ 定时器按照周期触发，触发后遍历每个槽的定时任务，并触发对应事件。

两者相比，各有优劣。最小堆方式精度更高，时间轮方式则胜在效率。在定时任务数量不庞大的情况下，最小堆方式更合适。本篇主要介绍最小堆的实现。

类图

通过对定时器功能的理解，可以将其抽象为三个类：系统定时器，定时器任务，定时器任务管理。其类图如下：

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系统定时器(SystemTimer)
负责封装Linux 定时器接口，向外提供系统定时器的使用接口。主要包含如下功能：
① 创建定时器
② 启动定时器
③ 停止定时器
④ 销毁定时器资源
定时器任务(Timer)
负责缓存定时任务属性的数据结构。主要包含如下数据：
① 触发时间间隔
② 下次触发时间戳
② 触发次数
③ 已触发次数计数
④ 定时器触发响应事件
⑤ 预定定时器的模块ID
定时器任务管理(TimerManager)
负责持有系统定时器和定时任务的管理。主要包含如下功能：
① 初始化、启动、结束、销毁系统定时器
② 接收和缓存定时任务预约事件
③ 维护定时任务容器，按照定时任务容器时间序更新系统定时器触发时间

源码实现

编程环境

编译环境: Linux环境
语言: C++语言

接口定义

系统定时器(SystemTimer)

class SprSystemTimer : public SprObserver
{
public:
    SprSystemTimer(ModuleIDType id, const std::string& name, std::shared_ptr<SprMediatorProxy> mediatorPtr);
    ~SprSystemTimer();
    SprSystemTimer(const SprSystemTimer&) = delete;
    SprSystemTimer& operator=(const SprSystemTimer&) = delete;
    SprSystemTimer(SprSystemTimer&&) = delete;
    SprSystemTimer& operator=(SprSystemTimer&&) = delete;

    int ProcessMsg(const SprMsg& msg);

    int Init();
    int InitTimer();
    int StartTimer(uint32_t intervalInMilliSec);
    int StopTimer();
    int DestoryTimer();

private:
    bool mTimerRunning;
    int  mTimerFd;
};

定时器任务(Timer)

class SprTimer
{
public:
    SprTimer(uint32_t moduleId, uint32_t msgId, uint32_t repeatTimes, uint32_t delayInMilliSec, uint32_t intervalInMilliSec);
    SprTimer(const SprTimer& timer);
    ~SprTimer();

    bool operator < (const SprTimer& t) const;
    bool IsExpired() const;
    uint32_t GetTick() const;
    uint32_t GetModuleId() const { return mModuleId; }
    uint32_t GetMsgId() const { return mMsgId; }
    uint32_t GetIntervalInMilliSec() const { return mIntervalInMilliSec; }
    uint32_t GetExpired() const { return mExpired; }
    uint32_t GetRepeatTimes() const { return mRepeatTimes; }
    uint32_t GetRepeatCount() const { return mRepeatCount; }

    void SetExpired(uint32_t expired) { mExpired = expired; }
    void RepeatCount() const { mRepeatCount++; }

private:
    uint32_t mModuleId;
    uint32_t mMsgId;
    uint32_t mIntervalInMilliSec;
    uint32_t mExpired;
    uint32_t mRepeatTimes;
    mutable uint32_t mRepeatCount;
};

定时器任务管理(TimerManager)

class SprTimerManager : public SprObserver
{
public:
    virtual ~SprTimerManager();
    int Init();
    static SprTimerManager* GetInstance(ModuleIDType id, const std::string& name, std::shared_ptr<SprMediatorProxy> mediatorPtr, std::shared_ptr<SprSystemTimer> systemTimerPtr);
private:
    SprTimerManager(ModuleIDType id, const std::string& name, std::shared_ptr<SprMediatorProxy> mediatorPtr, std::shared_ptr<SprSystemTimer> systemTimerPtr);

    int DeInit();
    int InitSystemTimer();
    int ProcessMsg(const SprMsg& msg) override;
    int PrintRealTime();

    // --------------------------------------------------------------------------------------------
    // - Module's timer book manager functions
    // --------------------------------------------------------------------------------------------
    int AddTimer(uint32_t moduleId, uint32_t msgId, uint32_t repeatTimes, int32_t delayInMilliSec, int32_t intervalInMilliSec);
    int AddTimer(const SprTimer& timer);
    int DelTimer(const SprTimer& timer);
    int UpdateTimer();
    int CheckTimer();
    uint32_t NextExpireTimes();

    // --------------------------------------------------------------------------------------------
    // - Message handle functions
    // --------------------------------------------------------------------------------------------
    void MsgRespondStartSystemTimer(const SprMsg &msg);
    void MsgRespondStopSystemTimer(const SprMsg &msg);
    void MsgRespondAddTimer(const SprMsg &msg);
    void MsgRespondDelTimer(const SprMsg &msg);
    void MsgRespondSystemTimerNotify(const SprMsg &msg);
    void MsgRespondClearTimersForExitComponent(const SprMsg &msg);

private:
    bool mEnable;                                       // Component init status
    std::set<SprTimer> mTimers;                         // sort by SprTimer.mExpired from smallest to largest
    std::shared_ptr<SprSystemTimer> mSystemTimerPtr;    // SysTimer object
};

TimerManager
中存储定时任务的容器用的std::set<Timer>，可以自定义按照时间戳从小到大排序，就不用自己实现二叉堆结构了。

如下是TimerManager中定时器触发的业务逻辑代码：
① 定时器触发后，从头遍历任务容器。
② 若当前任务已超时且任务未失效，通知定时器触发事件。将当前任务缓存至失效容器，若为重复定时器，更新时间戳，再次插入任务容器。
③ 若当前任务未到期（说明后续任务都未到期），退出容器遍历。与②互斥。
④ 从任务容器中，删除②中缓存的失效容器。
⑤ 当前任务容器若为空，停止系统定时器。

void SprTimerManager::MsgRespondSystemTimerNotify(const SprMsg &msg)
{
    set<SprTimer> deleteTimers;

    // loop: Execute the triggered timers, timers are sorted by Expired value from smallest to largest
    for (auto it = mTimers.begin(); it != mTimers.end(); ++it) {
        if (it->IsExpired()) {
            if (it->GetRepeatTimes() == 0 || (it->GetRepeatCount() + 1) < it->GetRepeatTimes()) {
                SprTimer t(*it);

                // loop: update timer valid expired time
                uint32_t tmpExpired = t.GetExpired();
                do {
                    tmpExpired += t.GetIntervalInMilliSec();
                    t.RepeatCount();
                } while (tmpExpired < it->GetTick());

                if (it->GetRepeatTimes() == 0 || (it->GetRepeatCount() + 1) < it->GetRepeatTimes()) {
                    t.SetExpired(tmpExpired);
                    AddTimer(t);
                }
            }

            // Notify expired timer event to the book component
            SprMsg msg(it->GetModuleId(), it->GetMsgId());
            NotifyObserver(msg);
            it->RepeatCount();

            deleteTimers.insert(*it);
        } else {
            break;
        }
    }

    // Delete expired timers
    for (const auto& timer : deleteTimers) {
        DelTimer(timer);
    }

    // Set next system timer
    uint32_t msgId = mTimers.empty() ? SIG_ID_TIMER_STOP_SYSTEM_TIMER : SIG_ID_TIMER_START_SYSTEM_TIMER;
    SprMsg sysMsg(msgId);
    SendMsg(sysMsg);
    // SPR_LOGD("Current total timers size = %d\n", (int)mTimers.size());
}

测试

测试一个2s的定时器：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-843189.html

56 DebugCore D: msg id: SIG_ID_DEBUG_TIMER_TEST_2S 2024-03-03 19:26:16.586
56 DebugCore D: msg id: SIG_ID_DEBUG_TIMER_TEST_2S 2024-03-03 19:26:18.586
56 DebugCore D: msg id: SIG_ID_DEBUG_TIMER_TEST_2S 2024-03-03 19:26:20.586
56 DebugCore D: msg id: SIG_ID_DEBUG_TIMER_TEST_2S 2024-03-03 19:26:22.585

总结

对于定时器容器，本篇用到了STL接口的std::set<Timer>容器，通过重载Timer运算符<，实现按照时间戳(mExpired)从小到大排序。
将定时器任务抽象处三个类，各自负责自己的业务，逻辑上更加清晰明了。
使用一个系统定时器资源，完成所有定时任务的响应。实现基础功能的同时，降低对系统定时资源的消耗。

到了这里，关于用最小堆实现通用的高效定时器组件的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！