一. 多級時間輪實現(xiàn)框架

上圖是5個時間輪級聯(lián)的效果圖。中間的大輪是工作輪，只有在它上的任務(wù)才會被執(zhí)行；其他輪上的任務(wù)時間到后遷移到下一級輪上，他們最終都會遷移到工作輪上而被調(diào)度執(zhí)行。

多級時間輪的原理也容易理解：就拿時鐘做說明，秒針轉(zhuǎn)動一圈分針轉(zhuǎn)動一格；分針轉(zhuǎn)動一圈時針轉(zhuǎn)動一格；同理時間輪也是如此：當(dāng)?shù)图壿嗈D(zhuǎn)動一圈時，高一級輪轉(zhuǎn)動一格，同時會將高一級輪上的任務(wù)重新分配到低級輪上。從而實現(xiàn)了多級輪級聯(lián)的效果。

1.1 多級時間輪對象

多級時間輪應(yīng)該至少包括以下內(nèi)容：

• 每一級時間輪對象
• 輪子上指針的位置

關(guān)于輪子上指針的位置有一個比較巧妙的辦法：那就是位運算。比如定義一個無符號整型的數(shù)：

通過獲取當(dāng)前的系統(tǒng)時間便可以通過位操作轉(zhuǎn)換為時間輪上的時間，通過與實際時間輪上的時間作比較，從而確定時間輪要前進調(diào)度的時間，進而操作對應(yīng)時間輪槽位對應(yīng)的任務(wù)。

為什么至少需要這兩個成員呢？

• 定義多級時間輪，首先需要明確的便是級聯(lián)的層數(shù)，也就是說需要確定有幾個時間輪。
• 輪子上指針位置，就是當(dāng)前時間輪運行到的位置，它與真實時間的差便是后續(xù)時間輪需要調(diào)度執(zhí)行，它們的差值是時間輪運作起來的驅(qū)動力。

多級時間輪對象的定義

//實現(xiàn)5級時間輪 范圍為0~ (2^8 * 2^6 * 2^6 * 2^6 *2^6)=2^32
struct tvec_base
{
    unsigned long 		current_index;   
    pthread_t  			thincrejiffies;
    pthread_t  			threadID;
    struct tvec_root 	tv1;	/*第一個輪*/
    struct tvec      	tv2;	/*第二個輪*/
    struct tvec      	tv3;	/*第三個輪*/
    struct tvec      	tv4;	/*第四個輪*/
    struct tvec      	tv5;	/*第五個輪*/
};

1.2 時間輪對象

我們知道每一個輪子實際上都是一個哈希表，上面我們只是實例化了五個輪子的對象，但是五個輪子具體包含什么，有幾個槽位等等沒有明確(即struct tvec和struct tvec_root)。

#define TVN_BITS 		6
#define TVR_BITS 		8
#define TVN_SIZE 		(1

此外，每一個時間輪都是哈希表，因此它的類型應(yīng)該至少包含兩個指針域來實現(xiàn)雙向鏈表的功能。這里我們?yōu)榱朔奖闶褂猛ㄓ玫膕truct list_head的雙向鏈表結(jié)構(gòu)。

1.3 定時任務(wù)對象

定時器的主要工作是為了在未來的特定時間完成某項任務(wù)，而這個任務(wù)經(jīng)常包含以下內(nèi)容：

• 任務(wù)的處理邏輯(回調(diào)函數(shù))
• 任務(wù)的參數(shù)
• 雙向鏈表節(jié)點
• 到時時間

定時任務(wù)對象的定義

typedef void (*timeouthandle)(unsigned long );

struct timer_list{
    struct list_head entry;          //將時間連接成鏈表
    unsigned long expires;           //超時時間
    void (*function)(unsigned long); //超時后的處理函數(shù)
    unsigned long data;              //處理函數(shù)的參數(shù)
    struct tvec_base *base;          //指向時間輪
};

在時間輪上的效果圖：

1.4 雙向鏈表

在時間輪上我們采用雙向鏈表的數(shù)據(jù)類型。采用雙向鏈表的除了操作上比單鏈表復(fù)雜，多占一個指針域外沒有其他不可接收的問題。而多占一個指針域在今天大內(nèi)存的時代明顯不是什么問題。至于雙向鏈表操作的復(fù)雜性，我們可以通過使用通用的struct list結(jié)構(gòu)來解決，因為雙向鏈表有眾多的標(biāo)準(zhǔn)操作函數(shù)，我們可以通過直接引用list.h頭文件來使用他們提供的接口。

struct list可以說是一個萬能的雙向鏈表操作框架，我們只需要在自定義的結(jié)構(gòu)中定義一個struct list對象即可使用它的標(biāo)準(zhǔn)操作接口。同時它還提供了一個類似container_of的接口，在應(yīng)用層一般叫做list_entry，因此我們可以很方便的通過struct list成員找到自定義的結(jié)構(gòu)體的起始地址。

關(guān)于應(yīng)用層的log.h, 我將在下面的代碼中附上該文件。如果需要內(nèi)核層的實現(xiàn)，可以直接從linux源碼中獲取。

1.5 聯(lián)結(jié)方式

多級時間輪效果圖：

二. 多級時間輪C語言實現(xiàn)

2.1 雙向鏈表頭文件: list.h

提到雙向鏈表，很多的源碼工程中都會實現(xiàn)一系列的統(tǒng)一的雙向鏈表操作函數(shù)。它們?yōu)殡p向鏈表封裝了統(tǒng)計的接口，使用者只需要在自定義的結(jié)構(gòu)中添加一個struct list_head結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用它們提供的接口，便可以完成雙向鏈表的所有操作。這些操作一般都在list.h的頭文件中實現(xiàn)。Linux源碼中也有實現(xiàn)（內(nèi)核態(tài)的實現(xiàn)）。他們實現(xiàn)的方式基本完全一樣，只是實現(xiàn)的接口數(shù)量和功能上稍有差別?？梢哉f這個list.h文件是學(xué)習(xí)操作雙向鏈表的不二選擇，它幾乎實現(xiàn)了所有的操作：增、刪、改、查、遍歷、替換、清空等等。這里我拼湊了一個源碼中的log.h函數(shù)，終于湊夠了多級時間輪中使用到的接口。

#if !defined(_BLKID_LIST_H) && !defined(LIST_HEAD)
#define _BLKID_LIST_H
#ifdef __cplusplus 
extern "C" {
#endif
/*
 * Simple doubly linked list implementation.
 *
 * Some of the internal functions ("__xxx") are useful when
 * manipulating whole lists rather than single entries, as
 * sometimes we already know the next/prev entries and we can
 * generate better code by using them directly rather than
 * using the generic single-entry routines.
 */
struct list_head {
	struct list_head *next, *prev;
};
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) 
	struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { 
	(ptr)- >next = (ptr); (ptr)- >prev = (ptr); 
} while (0)
static inline void
__list_add(struct list_head *entry,
                struct list_head *prev, struct list_head *next)
{
    next- >prev = entry;
    entry- >next = next;
    entry- >prev = prev;
    prev- >next = entry;
}
/**
 * Insert a new element after the given list head. The new element does not
 * need to be initialised as empty list.
 * The list changes from:
 *      head → some element → ...
 * to
 *      head → new element → older element → ...
 *
 * Example:
 * struct foo *newfoo = malloc(...);
 * list_add(&newfoo- >entry, &bar- >list_of_foos);
 *
 * @param entry The new element to prepend to the list.
 * @param head The existing list.
 */
static inline void
list_add(struct list_head *entry, struct list_head *head)
{
    __list_add(entry, head, head- >next);
}
/**
 * Append a new element to the end of the list given with this list head.
 *
 * The list changes from:
 *      head → some element → ... → lastelement
 * to
 *      head → some element → ... → lastelement → new element
 *
 * Example:
 * struct foo *newfoo = malloc(...);
 * list_add_tail(&newfoo- >entry, &bar- >list_of_foos);
 *
 * @param entry The new element to prepend to the list.
 * @param head The existing list.
 */
static inline void
list_add_tail(struct list_head *entry, struct list_head *head)
{
    __list_add(entry, head- >prev, head);
}
static inline void
__list_del(struct list_head *prev, struct list_head *next)
{
    next- >prev = prev;
    prev- >next = next;
}
/**
 * Remove the element from the list it is in. Using this function will reset
 * the pointers to/from this element so it is removed from the list. It does
 * NOT free the element itself or manipulate it otherwise.
 *
 * Using list_del on a pure list head (like in the example at the top of
 * this file) will NOT remove the first element from
 * the list but rather reset the list as empty list.
 *
 * Example:
 * list_del(&foo- >entry);
 *
 * @param entry The element to remove.
 */
static inline void
list_del(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry- >prev, entry- >next);
}
static inline void
list_del_init(struct list_head *entry)
{
    __list_del(entry- >prev, entry- >next);
    INIT_LIST_HEAD(entry);
}
static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
				  struct list_head *head)
{
	__list_del(list- >prev, list- >next);
	list_add_tail(list, head);
}
/**
 * Check if the list is empty.
 *
 * Example:
 * list_empty(&bar- >list_of_foos);
 *
 * @return True if the list contains one or more elements or False otherwise.
 */
static inline int
list_empty(struct list_head *head)
{
    return head- >next == head;
}
/**
 * list_replace - replace old entry by new one
 * @old : the element to be replaced
 * @new : the new element to insert
 *
 * If @old was empty, it will be overwritten.
 */
static inline void list_replace(struct list_head *old,
				struct list_head *new)
{
	new- >next = old- >next;
	new- >next- >prev = new;
	new- >prev = old- >prev;
	new- >prev- >next = new;
}
/**
 * Retrieve the first list entry for the given list pointer.
 *
 * Example:
 * struct foo *first;
 * first = list_first_entry(&bar- >list_of_foos, struct foo, list_of_foos);
 *
 * @param ptr The list head
 * @param type Data type of the list element to retrieve
 * @param member Member name of the struct list_head field in the list element.
 * @return A pointer to the first list element.
 */
#define list_first_entry(ptr, type, member) 
    list_entry((ptr)- >next, type, member)
static inline void list_replace_init(struct list_head *old,
					struct list_head *new)
{
	list_replace(old, new);
	INIT_LIST_HEAD(old);
}
/**
 * list_entry - get the struct for this entry
 * @ptr:	the &struct list_head pointer.
 * @type:	the type of the struct this is embedded in.
 * @member:	the name of the list_struct within the struct.
 */
#define list_entry(ptr, type, member) 
	((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(&((type *)0)- >member)))
/**
 * list_for_each - iterate over elements in a list
 * @pos:	the &struct list_head to use as a loop counter.
 * @head:	the head for your list.
 */
#define list_for_each(pos, head) 
	for (pos = (head)- >next; pos != (head); pos = pos- >next)
/**
 * list_for_each_safe - iterate over elements in a list, but don't dereference
 *                      pos after the body is done (in case it is freed)
 * @pos:	the &struct list_head to use as a loop counter.
 * @pnext:	the &struct list_head to use as a pointer to the next item.
 * @head:	the head for your list (not included in iteration).
 */
#define list_for_each_safe(pos, pnext, head) 
	for (pos = (head)- >next, pnext = pos- >next; pos != (head); 
	     pos = pnext, pnext = pos- >next)
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* _BLKID_LIST_H */

這里面一般會用到一個重要實現(xiàn)：container_of, 它的原理這里不敘述

2.2 調(diào)試信息頭文件: log.h

這個頭文件實際上不是必須的，我只是用它來添加調(diào)試信息(代碼中的errlog(), log()都是log.h中的宏函數(shù))。它的效果是給打印的信息加上顏色，效果如下：

log.h的代碼如下：

#ifndef _LOG_h_
#define _LOG_h_
#include < stdio.h >
#define COL(x)  "?33[;" #x "m"
#define RED     COL(31)
#define GREEN   COL(32)
#define YELLOW  COL(33)
#define BLUE    COL(34)
#define MAGENTA COL(35)
#define CYAN    COL(36)
#define WHITE   COL(0)
#define GRAY    "?33[0m"
#define errlog(fmt, arg...) do{     
    printf(RED"[#ERROR: Toeny Sun:"GRAY YELLOW" %s:%d]:"GRAY WHITE fmt GRAY, __func__, __LINE__, ##arg);
}while(0)
#define log(fmt, arg...) do{     
    printf(WHITE"[#DEBUG: Toeny Sun: "GRAY YELLOW"%s:%d]:"GRAY WHITE fmt GRAY, __func__, __LINE__, ##arg);
}while(0)
#endif

2.3 時間輪代碼: timewheel.c

/*
 *毫秒定時器  采用多級時間輪方式  借鑒linux內(nèi)核中的實現(xiàn)
 *支持的范圍為1 ~  2^32 毫秒(大約有49天)
 *若設(shè)置的定時器超過最大值 則按最大值設(shè)置定時器
 **/
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < string.h >
#include < unistd.h >
#include < pthread.h >
#include < sys/time.h >
#include "list.h"
#include "log.h" 
#define TVN_BITS 		6
#define TVR_BITS 		8
#define TVN_SIZE 		(1

2.4 編譯運行

toney@ubantu:/mnt/hgfs/em嵌入式學(xué)習(xí)記錄/4. timerwheel/2. 多級時間輪$ ls
a.out  list.h  log.h  mutiTimeWheel.c
toney@ubantu:/mnt/hgfs/em嵌入式學(xué)習(xí)記錄/4. timerwheel/2. 多級時間輪$ gcc mutiTimeWheel.c -lpthread
toney@ubantu:/mnt/hgfs/em嵌入式學(xué)習(xí)記錄/4. timerwheel/2. 多級時間輪$ ./a.out 
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100
[#DEBUG: Toeny Sun: mytimer:370]:100

從結(jié)果可以看出：如果添加的定時任務(wù)是比較耗時的操作，那么后續(xù)的任務(wù)也會被阻塞，可能一直到超時，甚至一直阻塞下去，這個取決于當(dāng)前任務(wù)是否耗時。這個理論上是絕不能接受的：一個任務(wù)不應(yīng)該也不能去影響其他的任務(wù)吧。但是目前沒有對此問題進行改進和完善，以后有機會再繼續(xù)完善吧。