Linux教学——linux编程之经典多级时间轮定时器(C语言版)
2022-11-07
来源：电子技术应用专栏作家 一口Linux
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。
1.1 多级时间轮对象
多级时间轮应该至少包括以下内容：
每一级时间轮对象
轮子上指针的位置 关于轮子上指针的位置有一个比较巧妙的办法：那就是位运算。比如定义一个无符号整型的数：
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？
定义多级时间轮，首先需要明确的便是级联的层数，也就是说需要确定有几个时间轮。
轮子上指针位置，就是当前时间轮运行到的位置，它与真实时间的差便是后续时间轮需要调度执行，它们的差值是时间轮运作起来的驱动力。
多级时间轮对象的定义
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struct tvec和struct tvec_root)。
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struct list_head的双向链表结构。
1.3 定时任务对象
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：
任务的处理逻辑(回调函数)
任务的参数
双向链表节点
到时时间
定时任务对象的定义
在时间轮上的效果图：
1.4 双向链表
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struct list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。
struct list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struct list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struct list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。
1.5 联结方式
多级时间轮效果图：
二. 多级时间轮C语言实现
2.1 双向链表头文件: list.h
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struct list_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。
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
2.2 调试信息头文件: log.h
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：
2.3 时间轮代码: timewheel.c
2.4 编译运行
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。
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电子技术应用专栏作家 一口Linux
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/pmHS5IlW1gfQSyeIYu3IGQ