9.3.1 实现原理

发布于 2024-10-13 01:27:19 字数 22864 浏览 0 评论 0 收藏 0

前言

前面我们介绍了一次性定时器Timer和周期性定时器Ticker，这两种定时器内部实现机制完全相同。创建定时器的协程并不负责计时，而是把任务交给系统协程，系统协程统一处理所有的定时器。

本节，我们重点关注系统协程是如何管理这些定器的，包括以下问题：

定时器使用什么数据结构存储？
定时器如何触发事件？
定时器如何添加进系统协程？
定时器如何从系统协程中删除？

定时器存储

timer数据结构

Timer和Ticker数据结构除名字外完全一样，二者都含有一个runtimeTimer类型的成员，这个就是系统协程所维护的对象。 runtimeTimer类型是time包的名称，在runtime包中，这个类型叫做timer。

timer数据结构如下所示：

type timer struct {
    tb *timersBucket // the bucket the timer lives in   // 当前定时器寄存于系统timer堆的地址
    i  int           // heap index                      // 当前定时器寄存于系统timer堆的下标

    when   int64                                        // 当前定时器下次触发时间
    period int64                                        // 当前定时器周期触发间隔（如果是Timer，间隔为0，表示不重复触发）
    f      func(interface{}, uintptr)                 // 定时器触发时执行的函数
    arg    interface{}                                // 定时器触发时执行函数传递的参数一
    seq    uintptr                                     // 定时器触发时执行函数传递的参数二(该参数只在网络收发场景下使用)
}

其中timersBucket便是系统协程存储timer的容器，里面有个切片来存储timer，而i便是timer所在切片的下标。

timersBucket数据结构

我们来看一下timersBucket数据结构：

type timersBucket struct {
    lock         mutex
    gp           *g          // 处理堆中事件的协程
    created      bool        // 事件处理协程是否已创建，默认为false，添加首个定时器时置为true
    sleeping     bool        // 事件处理协程（gp）是否在睡眠(如果t中有定时器，还未到触发的时间，那么gp会投入睡眠)
    rescheduling bool        // 事件处理协程（gp）是否已暂停（如果t中定时器均已删除，那么gp会暂停）
    sleepUntil   int64       // 事件处理协程睡眠时间
    waitnote     note        // 事件处理协程睡眠事件（据此唤醒协程）
    t            []*timer    // 定时器切片
}

“Bucket”译成中文意为"桶"，顾名思义，timersBucket意为存储timer的容器。

lock: 互斥锁，在timer增加和删除时需要使用；
gp: 事件处理协程，就是我们所说的系统协程，这个协程在首次创建Timer或Ticker时生成；
create：状态值，表示系统协程是否创建；
sleeping: 系统协程是否在睡眠；
rescheduling: 系统协程是否已暂停；
sleepUntil: 系统协程睡眠到指定的时间（如果有新的定时任务可能会提前唤醒）；
waitnote: 提前唤醒时使用的通知；
t: 保存timer的切片，当调用NewTimer()或NewTicker()时便会有新的timer存到此切片中；

看到这里应该能明白，系统协程在首次创建定时器时创建，定时器存储在切片中，系统协程负责计时并维护这个切片。

存储拓扑

以Ticker为例，我们回顾一下Ticker、timer和timersBucket关系，假设我们已经创建了3个Ticker，那么它们之间的关系如下：

用户创建Ticker时会生成一个timer，这个timer指向timersBucket，timersBucket记录timer的指针。

timersBucket数组

通过timersBucket数据结构可以看到，系统协程负责计时并维护其中的多个timer，一个timersBucket包含一个系统协程。

当系统中定时器非常多时，一个系统协程可能处理能力跟不上，所以Go在实现时实际上提供了多个timersBucket，也就有多个系统协程来处理定时器。

最理想的情况，应该预留GOMAXPROCS个timersBucket，以便充分使用CPU资源，但需要跟据实际环境动态分配。为了实现简单，Go在实现时预留了64个timersBucket，绝大部分场景下这些足够了。

每当协程创建定时器时，使用协程所属的ProcessID%64来计算定时器存入的timersBucket。

下图三个协程创建定时器时，定时器分布如下图所示：

为描述方便，上图中3个协程均分布于3个Process中。

一般情况下，同一个Process的协程创建的定时器分布于同一个timersBucket中，只有当GOMAXPROCS大于64时才会出现多个Process分布于同一个timersBucket中。

定时器运行机制

看完上面的数据结构，了解了timer是如何存储的。现在开始探究定时器内部运作机制。

创建定时器

回顾一下定时器创建过程，创建Timer或Ticker实际上分为两步：

创建一个管道
创建一个timer并启动（注意此timer不是Timer，而是系统协程所管理的timer。）

创建管道的部分前面已做过介绍，这里我们重点关注timer的启动部分。

首先，每个timer都必须要归属于某个timersBucket的，所以第一步是先选择一个timersBucket，选择的算法很简单，将当前协程所属的Processor ID 与timersBucket数组长度求模，结果就是timersBucket数组的下标。

const timersLen = 64
var timers [timersLen]struct { // timersBucket数组，长度为64
    timersBucket
}
func (t *timer) assignBucket() *timersBucket {
    id := uint8(getg().m.p.ptr().id) % timersLen // Processor ID 与数组长度求模，得到下标
    t.tb = &timers[id].timersBucket
    return t.tb
}

至此，第一步，给当前的timer选择一个timersBucket已经完成。

其次，每个timer都必须要加入到timersBucket中。前面我们知道，timersBucket中切片中保存着timer的指针，新加入的timer并不是按加入时间顺序存储的，而是把timer按照触发的时间排序的一个小头堆。那么timer加入timersBucket的过程实际上也是堆排序的过程，只不过这个排序是指的是新加元素后的堆调整过程。

源码src/runtime/time.go:addtimerLocked()函数负责添加timer：

func (tb *timersBucket) addtimerLocked(t *timer) bool {
    if t.when < 0 {
        t.when = 1<<63 - 1
    }
    t.i = len(tb.t)                 // 先把定时器插入到堆尾
    tb.t = append(tb.t, t)          // 保存定时器
    if !siftupTimer(tb.t, t.i) {    // 堆中插入数据，触发堆重新排序
        return false
    }
    if t.i == 0 { // 堆排序后，发现新插入的定时器跑到了栈顶，需要唤醒协程来处理
        // siftup moved to top: new earliest deadline.
        if tb.sleeping {                 // 协程在睡眠，唤醒协程来处理新加入的定时器
            tb.sleeping = false
            notewakeup(&tb.waitnote)
        }
        if tb.rescheduling {             // 协程已暂停，唤醒协程来处理新加入的定时器
            tb.rescheduling = false
            goready(tb.gp, 0)
        }
    }
    if !tb.created {       // 如果是系统首个定时器，则启动协程处理堆中的定时器
        tb.created = true
        go timerproc(tb)
    }
    return true
}

跟据注释来理解上面的代码比较简单，这里附加几点说明：