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;
};