Golang 定时器(Timer 和 Ticker),这篇文章就够了

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2020-10-21

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定时器是什么

Golang 原生 time 包下可以用来执行一些定时任务或者是周期性的任务的一个工具

本文基于 Go 1.14，如果以下文章有哪里不对或者问题的地方，欢迎讨论学习

定时器的日常使用

Timer 相关

func NewTimer(d Duration) *Timer
func (t *Timer) Reset(d Duration) bool
func (t *Timer) Stop() bool
func After(d Duration) <-chan Time
func AfterFunc(d Duration, f func()) *Timer

func main() {
  timer := time.NewTimer(3 * time.Second)
  select {
  case <-timer.C:
   fmt.Println("3秒执行任务")
  }
  timer.Stop() // 这里来提高 timer 的回收
}

func main() {
  tChannel := time.After(3 * time.Second) // 其内部其实是生成了一个 timer
  select {
  case <-tChannel:
   fmt.Println("3秒执行任务")
  }
}

func main() {
 timer := time.NewTimer(3 * time.Second)
 for {
  timer.Reset(4 * time.Second) // 这样来复用 timer 和修改执行时间
  select {
  case <-timer.C:
   fmt.Println("每隔4秒执行任务")
  }
 }
}

注意事项：

错误使用：time.After 这里会不断生成 timer，虽然最终会回收，但是会造成无意义的cpu资源消耗

func main() {
  for {
   select {
   case <-time.After(3 * time.Second): 
     fmt.Println("每隔3秒执行一次")
   }
  }
}

正确使用：

func main() {
  timer := time.NewTimer(3 * time.Second) 
  for {
   timer.Reset(3 * time.Second) // 这里复用了 timer
   select {
   case <-timer.C:
     fmt.Println("每隔3秒执行一次")
   }
  }
}

Ticker 相关

func NewTicker(d Duration) *Ticker
func Tick(d Duration) <-chan Time
func (t *Ticker) Stop()

func main() {
 ticker := time.NewTicker(3 * time.Second)
 for range ticker.C {
  fmt.Print("每隔3秒执行任务")
 }
 ticker.Stop()
}

错误使用：

func main() {
  for {
   select {
   case <-time.Tick(3 * time.Second): // 这里会不断生成 ticker，而且 ticker 会进行重新调度，造成泄漏（后面源码会有解析）
     fmt.Println("每隔3秒执行一次")
   }
  }
}

定时器源码分析

我先给出涉及到过程的相关结构体（！！！要注意 Timer 和 timer 的不同）

type Timer struct {
  C <-chan Time 
  r runtimeTimer
}

// Ticker 的结构与 Timer 一致
type Ticker struct {
 C <-chan Time  // 这里就是返回的 channel
 r runtimeTimer
}

// If this struct changes, 
// adjust ../time/sleep.go:/runtimeTimer.
// 这里是与 runtimeTimer 对应的
type timer struct {
 pp puintptr   // 对应的当前 P 的指针
 when  int64  // 需要执行的时间
 period int64  // 周期，Ticker 会使用
 f   func(interface{}, uintptr) // 给 channel 推送信息的方式
 arg  interface{} // 与 f 相关的第一个参数，可以看下面 Ticker 的例子
 seq  uintptr   // 与 f 相关的第二个参数（后续我们可以看到）
 nextwhen int64   // 下次执行的时候
 status uint32   // 当前状态
}


// P 结构体中的相关 timer 的字段
type p struct {
 ...

 timersLock mutex // 一个 P 中保证 timers 同步锁

 timers []*timer // timers 是四叉小顶堆（后续代码会有说明）

 numTimers uint32 // timer 的数量

 adjustTimers uint32 // 需要调整的 timer 的数量

 deletedTimers uint32 // 需要删除的 timer 的数量

 ...
}

我们以 Ticker 为切入点

func NewTicker(d Duration) *Ticker {
 if d <= 0 {
  panic(errors.New("non-positive interval for NewTicker"))
 }
 c := make(chan Time, 1)
 t := &Ticker{
  C: c,
  r: runtimeTimer{
   when:  when(d),//当前时间+d的时间，可看下面
   period: int64(d),//执行周期
   f:   sendTime,
   arg:  c, // 就是 f 中第一个参数
  },
 }
 startTimer(&t.r)
 return t
}

func when(d Duration) int64 {
 if d <= 0 {
  return runtimeNano()
 }
 t := runtimeNano() + int64(d) //当前时间加上需要等待的时间
 if t < 0 {
  t = 1<<63 - 1 // math.MaxInt64
 }
 return t
}

func sendTime(c interface{}, seq uintptr) {
 select {
 case c.(chan Time) <- Now():
 default:
 }
}

从 NewTicker 中我们可以看到，开始执行是在 startTimer()，我们进去看下

addtimer

// startTimer adds t to the timer heap.
// 这里已经说明了 timers 是一种堆的数据结构，由于是定时器，
// 最近的最先执行，所以猜测以 when 来判断的小顶堆
func startTimer(t *timer) {
  addtimer(t)
}

func addtimer(t *timer) {
 if t.when < 0 {
  t.when = maxWhen //maxWhen 是 1<<63 - 1
 }
 if t.status != timerNoStatus {
  throw("addtimer called with initialized timer")
 }
 t.status = timerWaiting

 when := t.when

 pp := getg().m.p.ptr()
 lock(&pp.timersLock) 
 cleantimers(pp) // 根据 timer 删除和修改状态进行操作，可以看下面源码相关
 doaddtimer(pp, t)// 添加 timer 的到 timers 堆
 unlock(&pp.timersLock)

 wakeNetPoller(when)
}

// 清理 timers 的源码部分
func cleantimers(pp *p) {
 for {
  if len(pp.timers) == 0 {
   return
  }
  t := pp.timers[0]// 从 0 开始，即最小的堆顶开始
  if t.pp.ptr() != pp {
   throw("cleantimers: bad p")
  }
  switch s := atomic.Load(&t.status); s {
  case timerDeleted: 
   if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {// status 变更为 timerRemoving
    continue
   }

   dodeltimer0(pp) // 这里是删除 timer 的关键部分，删除堆顶的部分并调整

   if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) { // stauts 变更为 timerRemoved
    badTimer() // 这里就是 throw 一个异常
   }
   atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -1)
  case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater: 
   if !atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) { // stauts 变更为 timerMoving
    continue
   }
   t.when = t.nextwhen // 将执行时间设置为其下次执行的时候

   // -----删除堆顶位置，并按照其新的执行时间加入到对应的位置
   dodeltimer0(pp) 
   doaddtimer(pp, t) // 添加 timer 的关键部分
   // ------------

   if s == timerModifiedEarlier {
    atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -1)
   }
   if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
    badTimer()
   }
  default:
   return
  }
 }
}

// timer 删除的源码部分
//（扩充：func dodeltimer(pp *p, i int) 意思就是删除指定所索引
// 的位置，然后恢复小顶堆的结构，可以看源码，就不解释了）
func dodeltimer0(pp *p) {
 if t := pp.timers[0]; t.pp.ptr() != pp {
  throw("dodeltimer0: wrong P")
 } else {
  t.pp = 0 // 这里将指针情况
 }

 // --- 将堆的最后一位 timer 放到堆顶，然后清空最后一位的空间，然后向下调整---
 last := len(pp.timers) - 1 
 if last > 0 {
  pp.timers[0] = pp.timers[last]
 }
 pp.timers[last] = nil
 pp.timers = pp.timers[:last]
 if last > 0 {
  siftdownTimer(pp.timers, 0)//向下调整的核心部分
 }
 // ---------------------

 updateTimer0When(pp) //更新当前 p 的最先执行 timer 的执行时间
 atomic.Xadd(&pp.numTimers, -1)
}

func updateTimer0When(pp *p) {
 if len(pp.timers) == 0 {
  atomic.Store64(&pp.timer0When, 0)
 } else {
  atomic.Store64(&pp.timer0When, uint64(pp.timers[0].when))
 }
}

// timer 增加的源码部分
func doaddtimer(pp *p, t *timer) {
 ... 
 if t.pp != 0 {
  throw("doaddtimer: P already set in timer")
 }
 t.pp.set(pp)

 // --- 将 timer 放置到堆的最后一位，然后向上调整 ---
 i := len(pp.timers)
 pp.timers = append(pp.timers, t)
 siftupTimer(pp.timers, i)// 向上调整的核心部分
 // ---------------------------

 if t == pp.timers[0] {
  atomic.Store64(&pp.timer0When, uint64(t.when))
 }
 atomic.Xadd(&pp.numTimers, 1)
}

当我们已知 timers 是小顶堆的数据结构（满足“当前位置的值小于等于父位置的值“即可，实现方式使用数组，由下面代码可以知道是四叉小顶堆，结构如下图）的情况后，接下来看堆向上或者向下调整的细节部分

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// timers 堆的向上调整
func siftupTimer(t []*timer, i int) {
  ...
  when := t[i].when
  tmp := t[i]
  for i > 0 {
   p := (i - 1) / 4  // 由这里可以看出，堆的节点长度是4
   if when >= t[p].when { 
     break
   }

   // --- 向上进行调整，即父节点下移，当前节点上移 ---
   t[i] = t[p]
   i = p
   //向上进行调整
  }
  if tmp != t[i] {
   t[i] = tmp
  }
}

//timers 堆的向下调整
func siftdownTimer(t []*timer, i int) {
 n := len(t)
 if i >= n {
  badTimer()
 }
 when := t[i].when
 tmp := t[i]
 for {

  // --- 以下部分就是找到当前4个节点中最小的那个值和在数组的位置 -----
  c := i*4 + 1 // 这里是子节点最左边的节点
  c3 := c + 2 // 这里是子节点第三个节点
  if c >= n {
   break
  }
  w := t[c].when
  if c+1 < n && t[c+1].when < w {
   w = t[c+1].when
   c++
  }
  if c3 < n {
   w3 := t[c3].when
   if c3+1 < n && t[c3+1].when < w3 {
    w3 = t[c3+1].when
    c3++
   }
   if w3 < w {
    w = w3
    c = c3
   }
  }
  //---------------------------------

  if w >= when {
   break
  }

  // --- 向下进行调整，即子节点上移，当前节点下移 ---
  t[i] = t[c] 
  i = c
  // ---------------

 }
 if tmp != t[i] {
  t[i] = tmp
 }
}

既然已经知道timer放到四叉小顶堆，那 timer 是怎么执行的呢？接下来就是定时器的核心部分入口 runtimer()

runtimer

// 这里执行的前提是当前 P 的 timesLock 已经锁了，所以不用担心并发问题
func runtimer(pp *p, now int64) int64 {
  for {
   t := pp.timers[0] //找到 timers 堆的堆顶，为最先执行的 timer
   if t.pp.ptr() != pp {
     throw("runtimer: bad p")
   }
   switch s := atomic.Load(&t.status); s {
   case timerWaiting:
     if t.when > now { //如果还没到时间，则返回调用的时间
      return t.when
     }

     if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRunning) {
      continue
     }
     runOneTimer(pp, t, now)// 这里是执行timer的核心
     return 0

   case timerDeleted:
     if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {
      continue
     }
     dodeltimer0(pp) //删除 timers 堆顶的 timer
     if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) {
      badTimer()
     }
     atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -1)
     if len(pp.timers) == 0 {
      return -1
     }

   case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater:
     if !atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) {
      continue
     }
     //删除堆顶的位置，调整 timer 到最新的时间，以及进行重新调整
     t.when = t.nextwhen
     dodeltimer0(pp)
     doaddtimer(pp, t)
     if s == timerModifiedEarlier {
      atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -1)
     }
     if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
      badTimer()
     }

   case timerModifying:
     osyield()
   case timerNoStatus, timerRemoved:
     badTimer()
   case timerRunning, timerRemoving, timerMoving:
     badTimer()
   default:
     badTimer()
   }
  }
}

因此我们知道了执行的核心流程是 runOneTimer()

runOneTimer

// 由于是 runtimer 进行调用，因此也线程安全
func runOneTimer(pp *p, t *timer, now int64) {
 ...
  f := t.f
  arg := t.arg
  seq := t.seq

  if t.period > 0 { //如果有周期，则算出下次 timer 执行的时间，并加入到对应的位置（这里就是 Ticker 和 Timer 的区别）
   delta := t.when - now
   t.when += t.period * (1 + -delta/t.period)
   siftdownTimer(pp.timers, 0)// 将四叉小顶堆向下调整
   if !atomic.Cas(&t.status, timerRunning, timerWaiting) {
     badTimer()
   }
   updateTimer0When(pp)//更新当前 P 的最先的 timer 的执行时间
  } else { 
  // 从堆顶位置上删除 timer，并调整
   dodeltimer0(pp)
   if !atomic.Cas(&t.status, timerRunning, timerNoStatus) {
     badTimer()
   }
  }
  ...

  unlock(&pp.timersLock)

  f(arg, seq) // 执行对应的 f，这里就是我们 Timer.C 来的地方

  lock(&pp.timersLock)

  ...
}

从 runtimer 的调用，我们知道执行的入口是 checkTimers()，我们详细看下

checkTimers

我们可以看下图，由下图可知，是通过 Go 里面的调度中去寻找可执行的 timer

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我们看下 checkTimers 做了什么

func checkTimers(pp *p, now int64) (rnow, pollUntil int64, ran bool) {
  if atomic.Load(&pp.adjustTimers) == 0 {// 如果没有需要可调整的，则直接返回最先执行 timer 的时间
   next := int64(atomic.Load64(&pp.timer0When))
   if next == 0 {
     return now, 0, false
   }
   if now == 0 {
     now = nanotime()
   }
   if now < next { // 表示还没有到执行时间
     if pp != getg().m.p.ptr() || int(atomic.Load(&pp.deletedTimers)) <= int(atomic.Load(&pp.numTimers)/4) { //且要删除的 Timer数量小于 Timer总数的1/4
      return now, next, false
     }
   }
  }

  lock(&pp.timersLock)

  adjusttimers(pp)// 可以看下面的源码解析，当前 p 上的所有 timers 的状态，该删除的删了，该调整的调整

  rnow = now
  if len(pp.timers) > 0 {
   if rnow == 0 {
     rnow = nanotime()
   }
   for len(pp.timers) > 0 {
     if tw := runtimer(pp, rnow); tw != 0 { // 通过 runtimer（可以看上面的源码解析） 开始调用
      if tw > 0 {
        pollUntil = tw
      }
      break
     }
     ran = true
   }
  }

  // 如果可删除的 Timers 大于 Timer总数量的1/4，则进行删除（因为上面执行了 runtimer)
  if pp == getg().m.p.ptr() && int(atomic.Load(&pp.deletedTimers)) > len(pp.timers)/4 {
   clearDeletedTimers(pp)
  }

  unlock(&pp.timersLock)

  return rnow, pollUntil, ran
}

adjusttimers

func adjusttimers(pp *p) {
  if len(pp.timers) == 0 {
   return
  }
  if atomic.Load(&pp.adjustTimers) == 0 { // 如果需要调整的 Timer 为 0，则直接返回
   ...
   return
  }
  var moved []*timer
loop:
  for i := 0; i < len(pp.timers); i++ {
   t := pp.timers[i]
   if t.pp.ptr() != pp {
     throw("adjusttimers: bad p")
   }
   switch s := atomic.Load(&t.status); s {
   case timerDeleted: // 这里就是将部分需要删除的 Timer 给清理掉
     if atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {
      dodeltimer(pp, i)
      if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) {
        badTimer()
      }
      atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -1)
      i--
     }
   case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater: // 把需要调整 Timer 放到 moved 中，然后删除当前堆的数据进行堆调整，后续将 moved 通过 addAdjustedTimers 添加
     if atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) {
      t.when = t.nextwhen
      dodeltimer(pp, i)
      moved = append(moved, t)
      if s == timerModifiedEarlier {
        if n := atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -1); int32(n) <= 0 {
         break loop
        }
      }
      i--
     }
   case timerNoStatus, timerRunning, timerRemoving, timerRemoved, timerMoving:
     badTimer()
   case timerWaiting:
   case timerModifying:
     osyield()
     i--
   default:
     badTimer()
   }
  }

  if len(moved) > 0 {
   addAdjustedTimers(pp, moved) // 这里就是将需要调整的 timer 重新添加进来
  }

  ...
}

addAdjustedTimers

func addAdjustedTimers(pp *p, moved []*timer) {
  for _, t := range moved {
   doaddtimer(pp, t)// 上文有源码解析
   if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
     badTimer()
   }
  }
}

clearDeletedTimers

func clearDeletedTimers(pp *p) { 
  cdel := int32(0)
  cearlier := int32(0)
  to := 0
  changedHeap := false
  timers := pp.timers
nextTimer:
  for _, t := range timers { 
   for {
     switch s := atomic.Load(&t.status); s {
     case timerWaiting: 
      if changedHeap {
        timers[to] = t
        siftupTimer(timers, to)
      }
      to++
      continue nextTimer
     case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater: // 将 timer 状态调整成 timeWaiting，将其放至其正确的执行时间位置
      if atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) {
        t.when = t.nextwhen
        timers[to] = t
        siftupTimer(timers, to)
        to++
        changedHeap = true
        if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
         badTimer()
        }
        if s == timerModifiedEarlier {
         cearlier++
        }
        continue nextTimer
      }
     case timerDeleted: // 将 timerDeleted 转变成 timerRemoved，然后从 timers 堆中删掉（在当前函数后面可以看出）
      if atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {
        t.pp = 0
        cdel++
        if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) {
         badTimer()
        }
        changedHeap = true
        continue nextTimer
      }
     case timerModifying:
      osyield()
     case timerNoStatus, timerRemoved:
      badTimer()
     case timerRunning, timerRemoving, timerMoving:
      badTimer()
     default:
      badTimer()
     }
   }
  }

 // 在这里对于剩余的空间 设置为 nil 操作（垃圾回收方便）
  for i := to; i < len(timers); i++ {
   timers[i] = nil
  }

  atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -cdel)
  atomic.Xadd(&pp.numTimers, -cdel)
  atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -cearlier)

 // 在这里进行一次大清理
  timers = timers[:to]
  pp.timers = timers
  updateTimer0When(pp)

  ...
}

大致执行的情况我们看好了，那我们接下来看 Stop() 的源码部分

deltimer

func (t *Ticker) Stop() {
  stopTimer(&t.r)
}

func stopTimer(t *timer) bool {
  return deltimer(t)
}

func deltimer(t *timer) bool {
  for {
   switch s := atomic.Load(&t.status); s {
   case timerWaiting, timerModifiedLater: //将 timer 的 status变更为 timerDeleted ，并deletedTimers 加 1
     mp := acquirem()
     if atomic.Cas(&t.status, s, timerModifying) {
      tpp := t.pp.ptr()
      if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, timerDeleted) { //
        badTimer()
      }
      releasem(mp)
      atomic.Xadd(&tpp.deletedTimers, 1)
      return true
     } else {
      releasem(mp)
     }
   case timerModifiedEarlier: //将 timer 的 status 变更为 timerDeleted，然后 adjustTimers 减 1，deletedTimers 加 1
     mp := acquirem()
     if atomic.Cas(&t.status, s, timerModifying) {
      tpp := t.pp.ptr()
      atomic.Xadd(&tpp.adjustTimers, -1)
      if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, timerDeleted) {
        badTimer()
      }
      releasem(mp)
      atomic.Xadd(&tpp.deletedTimers, 1)
      return true
     } else {
      releasem(mp)
     }
   case timerDeleted, timerRemoving, timerRemoved:
     return false
   case timerRunning, timerMoving:
     osyield()
   case timerNoStatus:
     return false
   case timerModifying:
     osyield()
   default:
     badTimer()
   }
  }
}

后续调度中， Timer 的状态可以从 timerDeleted 设置成 timerRemoved 并从 timers 堆中去除（注意，这里用了“可以”，可以看上面的状态图了解）

在复用 Timer 的时候，我们经常使用 Reset()，我们来看下源码部分是怎么样的

modtimer

func (t *Timer) Reset(d Duration) bool {
  if t.r.f == nil {
   panic("time: Reset called on uninitialized Timer")
  }
  w := when(d)
  active := stopTimer(&t.r) // 这里我们上面源码解释过了，即将当前的 timer 的 status 设置成 timerDeleted
  resetTimer(&t.r, w)
  return active
}

func resettimer(t *timer, when int64) {
  modtimer(t, when, t.period, t.f, t.arg, t.seq)
}

func modtimer(t *timer, when, period int64, f func(interface{}, uintptr), arg interface{}, seq uintptr) {
  if when < 0 {
   when = maxWhen
  }

  status := uint32(timerNoStatus)
  wasRemoved := false
  var mp *m
loop:
  for { 
   // 主要的目的就是将当前的 timer 的状态设置成 timerModifying
   switch status = atomic.Load(&t.status); status {
   case timerWaiting, timerModifiedEarlier, timerModifiedLater:
     mp = acquirem()
     if atomic.Cas(&t.status, status, timerModifying) {
      break loop
     }
     releasem(mp)
   case timerNoStatus, timerRemoved:
     mp = acquirem()
     if atomic.Cas(&t.status, status, timerModifying) {
      wasRemoved = true
      break loop
     }
     releasem(mp)
   case timerDeleted:
     mp = acquirem()
     if atomic.Cas(&t.status, status, timerModifying) {
      atomic.Xadd(&t.pp.ptr().deletedTimers, -1)
      break loop
     }
     releasem(mp)
   case timerRunning, timerRemoving, timerMoving:
     osyield()
   case timerModifying:
     osyield()
   default:
     badTimer()
   }
  }

  t.period = period
  t.f = f
  t.arg = arg
  t.seq = seq

  if wasRemoved { // 如果是已经被移除的，则要重新加回到 timers 中，且状态变更为 timerWaiting
   t.when = when
   pp := getg().m.p.ptr()
   lock(&pp.timersLock)
   doaddtimer(pp, t)
   unlock(&pp.timersLock)
   if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, timerWaiting) {
     badTimer()
   }
   releasem(mp)
   wakeNetPoller(when)
  } else {
   t.nextwhen = when

   newStatus := uint32(timerModifiedLater)
   if when < t.when { //判断这次新的时间是老的时间的前还是后
     newStatus = timerModifiedEarlier
   }

   adjust := int32(0)
   if status == timerModifiedEarlier {
     adjust--
   }
   if newStatus == timerModifiedEarlier {
     adjust++
   }
   if adjust != 0 {
     atomic.Xadd(&t.pp.ptr().adjustTimers, adjust)
   }

   if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, newStatus) { // 将当前 timer 设置成 timerModifiedEarlier/timerModifiedEarlier
     badTimer()
   }
   releasem(mp)

   if newStatus == timerModifiedEarlier {
     wakeNetPoller(when)
   }
  }
}

定时器 select golang