網路程式設計定時器三:使用最小堆
前面討論的定時方案都是以固定頻率呼叫心搏函式tick,並在其中一次檢測到期的定時器,然後執行到期定時器上的回撥函式。設計定時器的另一中思路是,將所有定器超時時間最小的一個定時器的超時值作為心搏間隔。這樣,一旦心搏函式tick執行,超時時間最小的定時器必然到期。我們就可以從剩餘定時器中選出超時時間最小的一個,並將這個時間設為下一次心搏間隔。如此反覆,就實現了較為精確的定時。
最小堆適合這種解決方案,下面直接給出最小堆方案的程式碼,並附有測試用例。不過測試用例我仍然只用了alarm來做測試。
#ifndef MIN_HEAP_H
#define MIN_HEAP_H
#include <iostream>
#include <netinet/in.h>
#include <time.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>
const int BUFFER_SIZE = 1024;
class heap_timer;
//繫結socket和定時器
struct client_data {
sockaddr_in addr_;
int sockfd_;
char buf_[BUFFER_SIZE];
heap_timer* timer_;
};
//定時器類
class heap_timer {
public:
heap_timer(int delay) {
printf("birth time %d, delay: %d\n", time(NULL), delay);
expire_ = time(NULL) + delay; //注意,和之前的升序連結串列以及時間輪不同,這次我們在timer中初始化生效時間
}
public:
void (*timeout_callback_)(client_data*); //定時器的回撥函式
public:
time_t expire_; //定時器生效的絕對時間
client_data* user_data_; //使用者資料
};
class time_heap {
public:
time_heap(int cap) throw (std::exception) //建構函式之一,初始化一個大小為cap的空堆
: array_(new heap_timer*[cap]), capacity_(cap), cur_size_(0) {
memset(array_, 0, sizeof(array_)); //初始化指標
}
time_heap(heap_timer** init_array, int size, int capacity) throw (std::exception) //建構函式之二,使用已有陣列來初始堆
: array_(new heap_timer*[capacity]), cur_size_(size), capacity_(capacity) {
assert(capacity >= size);
memset(array_, 0, sizeof(array_));
if(cur_size_ != 0){
for(int i=0; i<cur_size_; ++i)
array_[i] = init_array[i]; //初始化堆陣列
for(int i=((cur_size_-1)>>1); i>=0; --i)
sift_down(i); //多陣列中的(cur_size_-1)/2 ~ 0 個元素執行下濾操作
}
}
~time_heap() { //銷燬時間堆
for(int i=0; i<cur_size_; ++i)
delete array_[i];
delete []array_;
}
public:
//新增目標定時器timer
void add_timer(heap_timer* timer) throw (std::exception) {
assert(timer != NULL);
if(cur_size_ >= capacity_) //如果當前堆陣列容量不夠,擴容
resize();
//新插入一個元素,當前堆大小加1,hole是新插入元素的位置
int hole = cur_size_++; //hole = cur_size_ - 1
int parent = 0;
//對從新插入位置到根節點路徑上所有節點進行上濾操作
for(; hole > 0; hole = parent){
parent = (hole - 1) >> 1;
if(array_[parent]->expire_ <= timer->expire_)
break;
array_[hole] = array_[parent];
}
array_[hole] = timer;
}
//調整,老規矩,先刪除,再新增一次,否則舊定時器還作祟
void adjust_timer(heap_timer* old_timer, heap_timer* new_timer) {
del_timer(old_timer);
add_timer(new_timer);
}
//刪除目標定時器
void del_timer(heap_timer* timer) {
assert(timer != NULL);
//僅僅將目標定時器的回撥函式設定為空,即所謂的延遲銷燬。這將節省真正刪除該定時器造成的開銷,但這樣做容易使堆陣列膨脹
//說下為什麼延遲銷燬效率高:如果不延遲我們需要查詢O(lgn)+刪除下濾調整O(lgn);而採用延遲刪除,由於其他定時器可能觸發,其他定時器會呼叫真正的刪除函式pop_heap來刪除自己,所以我們採用了延遲刪除的定時器慢慢會被調整到堆頂,這時候由於時間到達,執行回撥函式(我們已經賦空,tick函式中不會執行空回撥函式)。由於為空,什麼也不做。然後被pop_heap,實際上僅僅消耗刪除調整的代價,無需查詢操作,時間複雜度是O(lgn)。
timer->timeout_callback_ = NULL;
}
heap_timer* top() const { //獲得堆頂定時器
return empty() ? NULL : array_[0];
}
//刪除堆頂定時器
void pop_timer() {
if(empty()) //有可能目前時空的,什麼也不做
return ;
if(array_[0] != NULL){
printf("delete user: %d\n", array_[0]->user_data_->sockfd_);
delete array_[0];
//將原來的堆頂元素替換為堆陣列中最後一個元素,提高效率
array_[0] = array_[--cur_size_];
printf("cur_size_: %d\n", cur_size_);
sift_down(0); //對新的堆頂元素執行下濾操作
}
}
//心搏函式
void tick() {
heap_timer* tmp = array_[0];
time_t cur = time(NULL); //迴圈處理堆中到期的定時器
while(!empty()){
if(tmp == NULL)
break;
printf("current time is: %d\n", cur);
if(tmp->expire_ > cur) //如果堆頂定時器沒到期,則退出迴圈
break;
if(array_[0]->timeout_callback_ != NULL) //否則執行沒有被延遲刪除的定時器的任務
array_[0]->timeout_callback_(array_[0]->user_data_);
//將堆頂元素刪除,同時生成新的堆頂定時器(array[0])
pop_timer();
tmp = array_[0];
}
}
bool empty() const { return cur_size_ == 0; }
private:
void sift_down(int hole) { //下濾操作
auto left_child = [] (int i) { return 2*i + 1; };
heap_timer* tmp = array_[hole];
int child = -1;
//注意比較的是left_child(hole)而不是hole
for(; left_child(hole)<cur_size_; hole=child){
child = left_child(hole);
if(child < cur_size_-1
&& array_[child]->expire_ > array_[child+1]->expire_)
++child;
if(array_[child]->expire_ < tmp->expire_)
array_[hole] = array_[child];
else
break;
}
array_[hole] = tmp;
}
//擴容函式
void resize() throw (std::exception) {
heap_timer** tmp = new heap_timer* [capacity_<<1];
memset(tmp, 0, sizeof(tmp));
capacity_ = capacity_ << 1;
for(int i=0; i<cur_size_; ++i)
tmp[i] = array_[i];
delete []array_;
array_ = tmp;
}
private:
heap_timer** array_; //堆陣列
int capacity_; //堆陣列的容量
int cur_size_; //堆陣列當前包含的元素的個數
};
#endif
測試程式碼:
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <pthread.h>
#include <memory>
#include <vector>
#include "min_heap.h"
const int FD_LIMIT = 65535;
const int MAX_EVENT_NUMBER = 1024;
const int TIME_SLOT = 5;
const int INIT_HEAP_SIZE = 2;
static int pipefd[2];
static int epollfd = 0;
static std::shared_ptr<time_heap> timer_lst;
int setnonblocking( int fd )
{
int old_option = fcntl( fd, F_GETFL );
int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
fcntl( fd, F_SETFL, new_option );
return old_option;
}
void addfd(int fd )
{
epoll_event event;
event.data.fd = fd;
event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event );
setnonblocking( fd );
}
void sig_handler( int sig )
{
int save_errno = errno;
int msg = sig;
send( pipefd[1], ( char* )&msg, 1, 0 );
errno = save_errno;
}
void addsig( int sig )
{
struct sigaction sa;
memset( &sa, '\0', sizeof( sa ) );
sa.sa_handler = sig_handler;
sa.sa_flags |= SA_RESTART;
sigfillset( &sa.sa_mask );
assert( sigaction( sig, &sa, NULL ) != -1 );
}
void timer_handler()
{
timer_lst->tick();
alarm( TIME_SLOT );
}
void cb_func( client_data* user_data )
{
epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_DEL, user_data->sockfd_, 0 );
assert( user_data );
close( user_data->sockfd_ );
printf( "close fd %d\n", user_data->sockfd_ );
}
int main( int argc, char* argv[] )
{
if( argc <= 2 )
{
printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
return 1;
}
const char* ip = argv[1];
int port = atoi( argv[2] );
int ret = 0;
struct sockaddr_in address;
bzero( &address, sizeof( address ) );
address.sin_family = AF_INET;
inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
address.sin_port = htons( port );
int listenfd = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
assert( listenfd >= 0 );
int on = 1;
ret = setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));
assert(ret != -1);
ret = bind( listenfd, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
assert( ret != -1 );
ret = listen( listenfd, 5 );
assert( ret != -1 );
epoll_event events[ MAX_EVENT_NUMBER ];
epollfd = epoll_create( 5 );
assert( epollfd != -1 );
addfd(listenfd );
ret = socketpair( PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, pipefd );
assert( ret != -1 );
setnonblocking( pipefd[1] );
addfd(pipefd[0] );
// add all the interesting signals here
addsig( SIGALRM );
addsig( SIGTERM );
bool stop_server = false;
std::vector<client_data> users(FD_LIMIT);
bool timeout = false;
alarm( TIME_SLOT );
//////////////////////////////////////////////////////
timer_lst.reset(new time_heap(INIT_HEAP_SIZE));
//////////////////////////////////////////////////////
while( !stop_server )
{
int number = epoll_wait( epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1 );
if ( ( number < 0 ) && ( errno != EINTR ) )
{
printf( "epoll failure\n" );
break;
}
for ( int i = 0; i < number; i++ )
{
int sockfd = events[i].data.fd;
if( sockfd == listenfd )
{
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t client_addrlength = sizeof( client_address );
int connfd = accept( listenfd, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrlength );
addfd(connfd);
users[connfd].addr_ = client_address;
users[connfd].sockfd_ = connfd;
printf("user: %d\n", connfd);
heap_timer *timer = new heap_timer(3 * TIME_SLOT);
timer_lst->add_timer(timer);
timer->user_data_ = &users[connfd];
timer->timeout_callback_ = cb_func;
users[connfd].timer_ = timer;
}
else if( ( sockfd == pipefd[0] ) && ( events[i].events & EPOLLIN ) )
{
int sig;
char signals[1024];
ret = recv( pipefd[0], signals, sizeof( signals ), 0 );
if( ret == -1 )
{
// handle the error
continue;
}
else if( ret == 0 )
{
continue;
}
else
{
for( int i = 0; i < ret; ++i )
{
switch( signals[i] )
{
case SIGALRM:
{
timeout = true;
break;
}
case SIGTERM:
{
stop_server = true;
}
}
}
}
}
else if( events[i].events & EPOLLIN )
{
memset( users[sockfd].buf_, '\0', BUFFER_SIZE );
ret = recv( sockfd, users[sockfd].buf_, BUFFER_SIZE-1, 0 );
printf( "get %d bytes of client data %s from %d\n", ret, users[sockfd].buf_, sockfd );
heap_timer* timer = users[sockfd].timer_;
if( ret < 0 )
{
if( errno != EAGAIN )
{
cb_func( &users[sockfd] );
if( timer )
{
timer_lst->del_timer( timer );
}
}
}
else if( ret == 0 )
{
cb_func( &users[sockfd] );
if( timer )
{
timer_lst->del_timer( timer );
}
}
else
{
//send( sockfd, users[sockfd].buf, BUFFER_SIZE-1, 0 );
if( timer )
{
printf("user: %d\n", sockfd);
heap_timer* new_timer = new heap_timer(3*TIME_SLOT);
timer_lst->adjust_timer(timer, new_timer);
new_timer->user_data_ = &users[sockfd];
new_timer->timeout_callback_ = cb_func;
users[sockfd].timer_ = new_timer;
}
}
}
else
{
// others
}
}
if( timeout )
{
timer_handler();
timeout = false;
}
}
close( listenfd );
close( epollfd );
close( pipefd[1] );
close( pipefd[0] );
return 0;
}
對時間堆而言,新增一個定時器的時間複雜度是O(lgn),刪除一個定時器的時間複雜度是O(1)(採用了延遲刪除),執行一個定時器的時間複雜度是O(1)。因此,時間堆的效率是很高的。
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