使用epoll+时间堆实现高性能定时器
在开发Linux网络程序时，通常需要维护多个定时器，如维护客户端心跳时间、检查多个数据包的超时重传等。如果采用Linux的SIGALARM信号实现，则会带来较大的系统开销，且不便于管理。
本文在应用层实现了一个基于时间堆的高性能定时器，同时考虑到定时的粒度问题，由于通过alarm系统调用设置的SIGALARM信号只能以秒为单位触发，因此需要采用其它手段实现更细粒度的定时操作，当然，这里不考虑使用多线程+sleep的实现方法，理由性能太低。
通常的做法还有采用基于升序的时间链表，但升序时间链表的插入操作效率较低，需要遍历链表。因此本实现方案使用最小堆来维护多个定时器，插入O(logn)、删除O(1)、查找O(1)的效率较高。
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首先是每个定时器的定义：
class heap_timer
{
public:
heap_timer( int ms_delay )
{
gettimeofday( &expire, NULL );
expire.tv_usec += ms_delay * 1000;
if ( expire.tv_usec > 1000000 )
{
expire.tv_sec += expire.tv_usec / 1000000;
expire.tv_usec %= 1000000;
}
}
public:
struct timeval expire;
void (*cb_func)( client_data* );
client_data* user_data;
~heap_timer()
{
delete user_data;
}
};
包括一个超时时间expire、超时回调函数cb_func以及一个user_data变量，user_data用于存储与定时器相关的用户数据，用户数据可以根据不同的应用场合进行修改，这里实现的是一个智能博物馆的网关，网关接收来自zigbee协调器的用户数据，并为每个用户维护一段等待时间T，在T到来之前，同一个用户的所有数据都存放到user_data的target_list中，当T到来时，根据target_list列表选择一个适当的target并发送到ip_address，同时删除定时器（有点扯远了=。=）。总之，要实现的功能就是给每个用户维护一个定时器，定时值到来时做一些操作。
class client_data
{
public:
client_data(char *address):target_count(0)
{
strcpy(ip_address,address);
}
private:
char ip_address[32];
target target_list[64];
int target_count;
......
};
以下是时间堆的类定义，包括了一些基本的堆操作：插入、删除、扩容，还包括了定时器溢出时的操作函数tick()
class time_heap
{
public:
time_heap( int cap = 1) throw ( std::exception )
: capacity( cap ), cur_size( 0 )
{
array = new heap_timer* [capacity];
if ( ! array )
{
throw std::exception();
}
for( int i = 0; i < capacity; ++i )
{
array[i] = NULL;
}
}
~time_heap()
{
for ( int i = 0; i < cur_size; ++i )
{
delete array[i];
}
delete [] array;
}
public:
int get_cursize()
{
return cur_size;
}
void add_timer( heap_timer* timer ) throw ( std::exception )
{
if( !timer )
{
return;
}
if( cur_size >= capacity )
{
resize();
}
int hole = cur_size++;
int parent = 0;
for( ; hole > 0; hole=parent )
{
parent = (hole-1)/2;
if ( timercmp( &(array[parent]->expire), &(timer->expire), <= ) )
{
break;
}
array[hole] = array[parent];
}
array[hole] = timer;
}
void del_timer( heap_timer* timer )
{
if( !timer )
{
return;
}
// lazy delelte
timer->cb_func = NULL;
}
int top(struct timeval &time_top) const
{
if ( empty() )
{
return 0;
}
time_top = array[0]->expire;
return 1;
}
void pop_timer()
{
if( empty() )
{
return;
}
if( array[0] )
{
delete array[0];
array[0] = array[--cur_size];
percolate_down( 0 );
}
}
void tick()
{
heap_timer* tmp = array[0];
struct timeval cur;
gettimeofday( &cur, NULL );
while( !empty() )
{
if( !tmp )
{
break;
}
if( timercmp( &cur, &(tmp->expire), < ) )
{
break;
}
if( array[0]->cb_func )
{
array[0]->cb_func( array[0]->user_data );
}
pop_timer();
tmp = array[0];
}
}
bool empty() const
{
return cur_size == 0;
}
heap_timer** get_heap_array()
{
return array;
}
private:
void percolate_down( int hole )
{
heap_timer* temp = array[hole];
int child = 0;
for ( ; ((hole*2+1) <= (cur_size-1)); hole=child )
{
child = hole*2+1;
if ( (child < (cur_size-1)) && timercmp( &(array[child+1]->expire), &(array[child]->expire), < ) )
{
++child;
}
if ( timercmp( &(array[child]->expire), &(temp->expire), < ) )
{
array[hole] = array[child];
}
else
{
break;
}
}
array[hole] = temp;
}
void resize() throw ( std::exception )
{
heap_timer** temp = new heap_timer* [2*capacity];
for( int i = 0; i < 2*capacity; ++i )
{
temp[i] = NULL;
}
if ( ! temp )
{
throw std::exception();
}
capacity = 2*capacity;
for ( int i = 0; i < cur_size; ++i )
{
temp[i] = array[i];
}
delete [] array;
array = temp;
}
private:
heap_timer** array;
int capacity;
int cur_size;
};