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：

• 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

1. 编译环境: Linux环境
2. 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：

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。