linux下多定时器的实现

linux下多定时器的实现

原文参见my blog:http://blog./u3/94771/showart_2000555.html

一、已有的定时器接口
  时空管理是计算机系统的主要任务。在时间管理中，我们经常利用定时器处理事情：比如tcp协议中利用定时器管理包超时，视频显示中利用定时器来定时显示视频帧，web服务中利用定时器来管理用户的超时。windows系统提供了SetTimer和timeSetEvent等定时器接口，linux中则提供了setitimer等接口。这些函数的接口很类似，大体上都是用户提供回调函数和超时时间向OS注册一个定时器事件，OS在超时时间到了的时候，调用用户提供的回调函数来完成用户想要做的事情。windows下的接口支持单进程中拥有多个定时器，而linux则只允许单进程拥有一个定时器，因此在linux下的单进程中要使用多个定时器，则需要自己维护管理，这是本文写作的出发点。另外，OS提供的定时器管理算法在大规模定时器的管理方面可能还不尽人意，这时候就需要用户去优化管理算法了，本文在这方面提供了一点素材。

二、一个最简单的多定时器的实现（linux版）
1、实现细节
  这个实现允许用户使用多个自定义的定时器，每个自定义的定时器将周期地被触发直到其被删除。实现的主要思路是：
    i）首先在初始化多定时器（init_mul_timer）时利用setitimer注册一个基本的时间单位（如1s）的定时事件；
    ii）用户需要set_a_timer注册自定义定时器时，在timer_manage管理结构中记录这个定时器的回调函数和定时周期等参数；
    iii）当基本的时间单位到期后（如SIGALRM信号到达时），遍历整个timer_manage，如果有自定义定时器的超时时间到了，就执行相应的回调函数，并将自定义定时器的超时时间置为最初值；否则将自定义定时器的超时时间相应地减一个基本的时间单位；
    iv）用户通过del_a_timer来删除某个定时器，通 过destroy_mul_timer来删除整个多定时器。
2、代码
   见附件
3、缺陷
   i)新建定时器、遍历定时器和删除定时器（查找哪个定时器超时）时时间复杂度都为O(n)（n是定时器的个数）;
   ii)适用环境是单线程环境，如要用于多线程，需添加同步操作。
   iii)程序中有些小bug，如对新建超时时间为0的定时器没有妥善的处理。

三、多定时器的改进版
1、思路
   改进定时器的实现，即是改善二种所指出的几个缺陷，如下是一个改进版,主要是将遍历超时时间的时间复杂度降为了O(1).
   改善思路:各定时器以一个链表的形式组织起来,除链表头定时器的超时时间是用绝对时间纪录的外,其它定时器的超时时间均用相对时间(即超时时间-前一个定时器的超时时间)纪录.
   注意,各定时器都是一次性的,当定时器的超时被处理后,定时器将被自动删除.另外如果将定时器的结点改为双向结构,可以将删除定时器的时间复杂度降为O(1).
2、数据结构
   每个定时器都有一个唯一的ID,这个ID是如下的结构体:

typedef struct _timer_handle {         unsigned long ptr;         unsigned long entry_id; }*timer_handle_t;

   ptr纪录的是定时器结点的地址,entry_id则是一个自多定时器初始化后自增的id.ptr和entry_id一起组成定时器结点的key
,一方面使得新建定时器时生成key的过程大为简化,另一方面使得删除定时器的时间复杂度降为O(1)（前提是定时器结点采用双向结构）。
   定时器结点的数据结构如下：
   

/* timer entry */ typedef struct _mul_timer_entry {     char is_use; /* 0, not; 1, yes */     struct _timer_handle handle;     unsigned int timeout;     unsigned int elapse; /*  */     int (* timer_proc) (void *arg, unsigned int *arg_len); /* callback function */     void *arg;     unsigned int *arg_len;     struct _mul_timer_entry *etr_next; }mul_timer_entry_t;

   其中的is_use是用来防止这样一种情况：用户在回调函数中调用kill_timer来删除定时器，这个时候kill_timer和遍历定时器中都有删除结点的操作，有可能将整个链表搞混乱。所以在调用用户的回调函数前先将is_use置1，在kill_timer中需检查is_use，只有在is_use为0的情况下，才执行清理定时器结点的操作。
3、代码（windows版）
  见附件。
3、缺陷
i)新建定时器的时间复杂度为O(n),删除定时器的时间复杂度也为O(n)(简单地将定时器结点改为双向结构,可将复杂度降为O(1));
ii)不能用于多线程环境
四 、多定时器的工业级实现
1、time wheelz算法
   以前的BSD内核以及现在的linux内核的实现与三中所用算法相似（未实证，只是据说），据说现在的BSD内核已采用了较好的time wheelz算法。
   time wheez算法的优点：
   i)将新建定时器的时间复杂度降近似为O(1)。它根据定时器的超时值，将新定时器散列到hash桶中；
   ii)遍历检查定时器的时间复杂度也近似为O(桶大小)，如果散列均匀。
   iii)删除定时器的时间复杂度近似为O(1)，通过hash算法或临时存储（空间换时间的算法）。
2、time wheelz的实现
   请参考文末给出的两个论文，惭愧得很，文章我也只是稍微瞄了下，以后有用得着的时候再深究吧。
五、参考文章
1、Adam M. Costello and George Varghess, "Redesigning the BSD Callout andTimer Facilities". 1995.11,这篇文章实现了用timewheelz算法改善BSD内核的定时器算法，google一下，有免费下载；
2、George Varghess, AnthonyLauch, "Hashed and Hierarchical Timing Wheels: Efficient DataStructures for Implementing a Timer Facility". IEEE:1997.12，这个看作者有没有提供免费下载了，否则是要从IEEE那里获取了~~


[ 本帖最后由 bripengandre 于 2009-7-19 17:49 编辑 ]