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。
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;
};
如何用epoll实现多个定时器的操作是本设计的关键，我们知道，epoll_wait的最后一个参数是阻塞等待的时候，单位是毫秒。可以这样设计：
1、当时间堆中没有定时器时，epoll_wait的超时时间T设为-1，表示一直阻塞等待新用户的到来；
2、当时间堆中有定时器时，epoll_wait的超时时间T设为最小堆堆顶的超时值，这样可以保证让最近触发的定时器能得以执行；
3、在epoll_wait阻塞等待期间，若有其它的用户到来，则epoll_wait返回n>0，进行常规的处理，随后应重新设置epoll_wait为小顶堆堆顶的超时时间。
为此，本实现对epoll_wait进行了封装，名为tepoll_wait，调用接口与epoll_wait差不多，但返回值有所不同：tepoll_wait不返回n=0的情况（即超时），因为超时事件在tepoll_wait中进行处理，只有等到n>0（即在等待过程中有用户数据到来）或者n<0（出现错误）才进行返回。
废话不多说，看代码最清楚：
void timer_handler()
{
heap.tick();
//setalarm();
}
/* tselect - select with timers */
int tepoll_wait( int epollfd, epoll_event *events, int max_event_number )
{
struct timeval now;
struct timeval tv;
struct timeval *tvp;
//tevent_t *tp;
int n;
for ( ;; )
{
if ( gettimeofday( &now, NULL ) < 0 )
perror("gettimeofday");
struct timeval time_top;
if ( heap.top(time_top) )
{
tv.tv_sec = time_top.tv_sec - now.tv_sec;;
tv.tv_usec = time_top.tv_usec - now.tv_usec;
if ( tv.tv_usec < 0 )
{
tv.tv_usec += 1000000;
tv.tv_sec--;
}
tvp = &tv;
}
else
tvp = NULL;
if(tvp == NULL)
n = epoll_wait( epollfd, events, max_event_number, -1 );
else
n = epoll_wait( epollfd, events, max_event_number, tvp->tv_sec*1000 + tvp->tv_usec/1000 );
if ( n < 0 )
return -1;
if ( n > 0 )
return n;
timer_handler();
}
}
代码一目了然，在tepoll_wait中，是个死循环，只有等到上述两种情况发生时，才进行返回，此时在调用方进行处理，处理过程跟epoll_wait一样。
while( !stop_server )
{
number = tepoll_wait( epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER);
for ( i= 0; i < number; i++ )
{
int fd = events[i].data.fd;
if ( (events[i].events & EPOLLIN)&& (fd == uart_fd) )
{
//读取用户数据
if( (timer_id = find_exist_timer(ip_address)) != -1)
{
//add to the exist timer
heap_timer ** heap_array = heap.get_heap_array();
heap_array[timer_id]->user_data->add_target(RSSI,target_id);
continue;
}
//new timer
heap_timer *timer = new heap_timer(200);
timer->cb_func = cb_func;
timer->user_data = new client_data(ip_address);
timer->user_data->add_target(RSSI,target_id);
heap.add_timer(timer);
}
else if( ( fd == pipefd[0] ) && ( events[i].events & EPOLLIN ) )
{
//此处进行了统一信号源处理，通过双向管道来获取SIGTERM以及SIGINT的信号，在主循环中进行统一处理
char signals[1024];
ret = recv( pipefd[0], signals, sizeof( signals ), 0 );
if( ret == -1 )
{
continue;
}
else if( ret == 0 )
{
continue;
}
else
{
for( int i = 0; i < ret; ++i )
{
switch( signals[i] )
{
case SIGTERM:
case SIGINT:
{
stop_server = true;
}
}
}
}
}
}
}
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