遊戲服務端定時器的實現

最近在看過一些定時器相關的資料，也讀了一些**，比如雲風的skynet的定時器實現，小有啟發，因此將所得整理記錄下來。　　

通常，乙個定時器模組會提供以下三個介面：

reg_tick(timeout, callback);

unreg_tick(tick_id);

update_timer();

reg_tick註冊乙個tick，unreg_tick取消乙個tick，update_timer更新計時器的時間，觸發其中過期的tick。前兩個介面好理解，問題是第三個介面update_timer，到底什麼時候呼叫這個呢？看下面的說明。

乙個遊戲服務端需要處理客戶端的請求，也要處理定時的任務，其主迴圈或許如下：

1
while 1:2#
處理網路io任務
3     result = select(10)
4for fd, event in
result:
5handle(fd, event)6#
處理定時任務
7     update_timer()

update_time這個函式的工作就是找出伺服器所有過期的定時任務，並執行其對應的**函式。最簡單的實現是，假設伺服器有乙個集合儲存著所有註冊了的tick（乙個tick就是乙個定時任務，下文將不再解釋），每次更新計時器的時候，遍歷集合中的所有tick，挨個去判斷這個tick是否過期，如果是則執行其callback，可能的話還要刪掉這個已經觸發了的tick。

1
defupdate_timer():
2     current =get_cur_time()
3for timer in
reg_timer_list:
4if timer.expeires >current:
5             timer.callback()

接下來分析這個實現的時間複雜度。如果使用vector來儲存tick的話，reg_tick的時間是o(1)，unreg_tick的時間是o(n)，update_timer的時間也是o(n)。

當然有幾種簡單的改進方法，比如改為用hash_map來儲存tick，可以將插入和刪除的時間降到o(1)，但需要注意的是對於一般的hash_map如果沒有記錄前乙個和後乙個元素的位置，遍歷起來是會相對耗時的。因此update_timer的時間可能會需要更多，具體依賴hash_map的實現。當然也可以使用紅黑樹來儲存tick。

另一種改進方法是，依然使用佔記憶體相對較小的vector儲存tick，不過需要維持這個vector，使其中所有tick都是按觸發時間從早到晚的依次排序。這樣一來插入和刪除的時間變為o(n)，但是相對的，update_timer卻變快了，因為可以把要觸發的tick都集中到一起，攤還下來從而每乙個tick的觸發時間變少了。這樣做通常是有好處的，如上文所述，相對於reg_tick和unreg_tick伺服器一般會較為頻繁的呼叫update_timer這個函式。

其實基於維持乙個有序陣列的思想還可以進一步的優化，比如用觸發時間為key使用最小堆來儲存tick。這種情況插入刪除和有序陣列時間複雜度一致，但是update_timer一般來說效率更高。

其實還可以進一步再優化，這次依然選擇hash_map作為儲存tick的資料結構，只不過儲存在hash_map中的key是乙個時間戳，value是這個時間戳對應的所有tick列表。這樣一來每次呼叫update_timer這個函式不再需要遍歷整個hash_map，而是根據時間戳索引到對應的tick列表，因此update_timer的時間複雜度降至o(1)。由此而來，reg_timer、unreg_timer、update_timer三個介面的時間複雜度都降至o(1)。

1
defupdate_timer():
2     last =get_last_update()
3     current =get_cur_time()
4while last <=current:
5for timer in
reg_timer_dict[last]:
6timer.callback()
7             last += 1

到這為止了嗎？

通用性的解決方案是為了滿足大多數的情況而被使用的，在特定問題下，如果我們根據問題的獨特性進行相應的優化，通常能做的更好，這也是造輪子的意義所在。回到計時器這個問題，我們是否能優化一下hash_map空間複雜度呢？

接下來要引入的就是特定情況下的解決方案。我們可以基於乙個假設進行優化，假設我們不需要註冊乙個很久以後的tick。由此而引出的是分層時間輪計時器，這個也是linux核心使用的定時器演算法（skynet的定時器也是，可以讀一下skynet的**，只有兩百多行）。

我在這裡就簡單說明一下。假設這個有三個時鐘，分別是時分秒。以秒級時鐘說明，這個時鐘有60個槽，代表了一分鐘的60秒，每乙個槽對應存放的是tick列表。我們有乙個變數記錄下當前的秒針的位置，每當秒針走一步，則觸發對應槽的tick列表中的所有tick。假設我要註冊乙個10秒鐘之後觸發的tick，則把這個tick插入到（當前秒針+10）mod 60的位置上即可。這樣60秒內的tick沒什麼問題，但是大於60秒則如何處理？這時就要使用到分鐘級的時鐘了。比如說我需要註冊乙個70秒後觸發的tick，通過計算可以發現這個tick是下一分鐘觸發的，因此把這個tick存放在（當前分針+1）mod 60的位置上。當秒針轉完一輪後，分針需要走一步，這個時候就把當前分針所指向的槽的所有tick都插入到秒級時鐘去。比如說剛剛的70秒後的tick，因為秒針走了一輪，這時候觸發時間變成10秒之後，因此把它插入到（當前秒針+10）mod 60的位置。時針的處理與這個類似。通過這種方法，表示一天需要的空間複雜度是60+60+24=144個槽。

linux核心和skynet的定時器都是使用這個方法，但是它們不是按時分秒這樣分層，而是將32bit按8/6/6/6/6/分成5個部分，也就是有5個時鐘（這裡每乙個時鐘被稱為time vector簡稱tv），原來的秒級時鐘變為2^8=256個槽。這種分層方法的空間複雜度變為256+64+64+64+64=512個槽，支援註冊最長時間的tick是256*64*64*64*64=2^32秒。

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