3.定时器Timer的实现
time.Timer的实现
定时任务是我们工作中经常遇到的一个场景。go 里可以通过 time.Timer / time.Ticker 轻松构建定时器用于任务定时执行。不知大家有没有好奇过定时器是如何实现的？
各版本实现演进
go1.10及之前一个全局最小堆
最小堆是非常常见的用来管理
timer的数据结构。在最小堆中，作为排序依据的key是timer的when属性，也就是何时触发。即最近的timer将会处于堆顶。
再起一个叫
timeproc的协程，通过死循环持续检查堆顶的timer是否到期，并触发对应的回调timeproc执行时需要阻塞（for死循环）占用M，会挤走M上本来运行的G和P，切换代价较高
go1.0 ~ go1.13上述方案存在锁竞争；且堆体积较大，插入 / 删除效率低
将全局最小堆改为
64个全局最小堆（四叉堆）将所有定时器打散到
64个最小堆中，减小每个堆的数据量，插入时用P的id取模找堆，降低锁粒度每个桶一个
timeproc协程，仍然存在上下文切换代价高的问题
go1.14不再使用
64个桶，四叉堆改放到P里但其实之前
64个桶一般也远大于P的数量，因此这方面的提升效果不大
不再使用
timeproc协程调度，改为在调度时触发定时器的检查，避免了timeproc的上下文切换、调度像
G任务一样，当P本地没有timer时，可以尝试从其他的P偷取一些timer
其它方案
时间轮：
kafka使用比如将
1秒 分成长度为1000的环形队列，则每个格子表示1ms。每个格子里用数组（浪费空间）或链表（浪费时间）存放任务再起个死循环进程，判断当前时间所属的格子上，是否有定时任务需要执行
可以像时分秒的设计一样，使用多层时间轮组合，即可组合表示更多的时间
槽多，可以很大程度减少锁竞争
需要预先确定时间间隔和定时器数量，不如最小堆灵活
执行时间较为集中的定时任务时，有踏空问题，即访问到的格子大多是没有任务的，白占用空间
红黑树：
nginx使用最小堆是把最近的
timer放在堆顶，红黑树则是把最近的timer放入树最左侧
树类型的插入和删除时间复杂度为O(lgN)，比时间轮慢
对于持续性定时的
ticker类型，只需要将其从堆/队列里取出，调整下次到期时间，再放回去即可，类似永久性递归
以下内容基于 go1.14
1. 底层结构
所有的计时器都以最小四叉堆的形式存储在处理器 runtime.p 中
timer 主要关注 3 个属性：用于通知外层时间的 chan、用于判断触发时间的 when，和回调用的函数 f
// time/sleep.go
type Timer struct {
C <-chan Time // 到时间后会向这个 channel 写数据。是一个有缓冲的 channel, 缓冲区大小为 1。
r runtimeTimer
}
// same as ru
type runtimeTimer struct {
pp uintptr // 所属 P
when int64 // timer 触发的绝对时间，计算方式就是当前时间加上 duration
period int64 // 周期时间，适合 ticker
f func(interface{}, uintptr) // 回调函数。timer 触发时，需要执行的函数。不可为闭包。
arg interface{} // 传给 f 的参数
seq uintptr // 序号
nextwhen int64 // 下次的到期时间
status uint32 // 状态
}
// runtime2.go
// 所有的计时器都以最小四叉堆的形式存储在处理器 P 中
type p struct {
timersLock mutex // 仍然有锁，因为任务窃取时，timers 也会被别的 P 窃取
timers []*timer // 最小四叉堆，存放定时器任务
}time 包提供了2种方法来新建 Timer：time.NewTimer 和 time.AfterFunc
1.1 初始化 NewTimer
NewTimer 里 timer 的回调就是 sendTime，即向 channel 中发送当前时间。
外层监听这个 channel，就可以知道定时器是否到时间了。
// time/sleep.go
// 返回1个 Timer，该 Timer 在 d 时间后向 channel 发送时间
func NewTimer(d Duration) *Timer {
c := make(chan Time, 1)
t := &Timer{
C: c,
r: runtimeTimer{
when: when(d),
f: sendTime, // 回调就是向channel发送一个时间。到时间后，向c中写入数据
arg: c,
},
}
startTimer(&t.r)
return t
}
// 向 channel 里写入时间
func sendTime(c interface{}, seq uintptr) {
select {
case c.(chan Time) <- Now():
default:
}
}
// 这个和 NewTimer 差不多，只是回调不一样。NewTimer 里回调是写死的，而这里回调是参数，可以自定
func AfterFunc(d Duration, f func()) *Timer {
}timer 对象构造好后，接下来就调用了 startTimer 函数，将 timer 放到当前 P 的时间堆里
// runtime/time.go
// startTimer adds t to the timer heap. 这个函数会将 timer 放到 P 的最小堆里
//go:linkname startTimer time.startTimer 通过link做方法映射，time/sleep.go 里调用的 time.startTimer 指向 runtime 包
func startTimer(t *timer) {
addtimer(t)
}
func addtimer(t *timer) {
t.status = timerWaiting
cleantimers(pp) // 清理堆里的失效节点
doaddtimer(pp, t) // 把新建的 timer 放到 P 的堆里
}runtime.cleantimers
对 P 中 timer 堆的头节点进行清理工作
func cleantimers(pp *p) {
for { // 使用了一个死循环来获取堆顶节点
t := pp.timers[0] // 获取堆顶 timer
switch s := atomic.Load(&t.status); s { // 判断堆顶节点的状态
case timerDeleted: // 删除状态
dodeltimer0(pp) // 删除堆顶节点
case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater: // timer 被修改到了更早或更晚的时间
t.when = t.nextwhen // 使用下次触发的时间 nextWhen 覆盖 when
dodeltimer0(pp) // 删除堆顶节点
doaddtimer(pp, t) // 把设置了新的 when 字段的 timer 重新放回堆
}
}
}runtime.doaddtimer
doaddtimer 函数实际上很简单，主要是将 timer 与 P 设置关联关系，并将 timer 加到堆里。
func doaddtimer(pp *p, t *timer) {
t.pp.set(pp) // 设置 timer 与 P 的关联
i := len(pp.timers)
pp.timers = append(pp.timers, t) // 将 timer 加入到堆尾
siftupTimer(pp.timers, i) // 调整 timer 在堆中的位置
}timer 的运行
timer 的运行是交给 runtime.runtimer 函数执行的，这个函数会不断检查 P 上最小堆堆顶 timer 的状态，根据状态做不同的处理。
运行时会根据 period 判断该 timer 是否为 ticker 类型，是否需要反复执行：是的话需要重设下次执行时间，并调整该 timer 在堆中的位置；一次性 timer 的话则会删除该 timer。最后运行 timer 中的回调函数
// runtime/time.go
func runtimer(pp *p, now int64) int64 {
for {
t := pp.timers[0] // 不断获取最小堆的堆顶元素
// 判断 timer 状态
switch s := atomic.Load(&t.status); s {
case timerWaiting:
if t.when > now { return t.when } // 还没到时间，返回下次执行时间，退出循环
runOneTimer(pp, t, now) // 如果到时间了，则运行该 timer
return 0
case timerDeleted: // 过期 timer，删除
dodeltimer0(pp)
case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater: // 被修改，需要调整位置
t.when = t.nextwhen // 设置新的到期时间
dodeltimer0(pp) // 删除最小堆的第一个 timer
doaddtimer(pp, t) // 将该 timer 重新添加到最小堆
}
}
}
// 运行一次 timer 回调函数
func runOneTimer(pp *p, t *timer, now int64) {
// 表示该 timer 为 ticker 类型，需要再次触发
if t.period > 0 {
delta := t.when - now
t.when += t.period * (1 + -delta/t.period) // 调整触发时间
siftdownTimer(pp.timers, 0) // 调整后的 timer 触发时间变大，将其从堆顶往下沉
updateTimer0When(pp)
// 否则为一次性 timer
} else {
dodeltimer0(pp) // 删除该 timer
}
f := t.f // 回调函数
arg := t.arg // 回调函数的参数
seq := t.seq
unlock(&pp.timersLock) // 这里有点费解：一般是先 lock 再 unlock。这里应该是为了运行较慢的回调时不阻塞其他的 timer，使其他 timer 可以被偷
f(arg, seq) // 运行该函数
lock(&pp.timersLock)
}timer 的触发 / 唤醒
timer 的触发有两种：
从调度循环中触发
调用
runtime.schedule执行调度时调用
runtime.findrunnable获取可执行G/ 执行抢占时
sysmon每轮监控中会触发
runtime.schedule
// runtime.schedule
func schedule() {
_g_ := getg()
top:
pp := _g_.m.p.ptr()
checkTimers(pp, 0) // 检查是否有可执行 timer 并执行，checkTimers 里面会调用前文写到的 runtimer
var gp *g
if gp == nil {
gp, inheritTime = findrunnable() // blocks until work is available
}
execute(gp, inheritTime)
}runtime.sysmon
func sysmon() {
for {
now := nanotime()
next, _ := timeSleepUntil() // 下次需要调度的 timer 到期时间
if next < now { // 如果有 timer 到期
startm(nil, false) // 当前有应该运行的 timer 没有执行, 可能存在无法被抢占的处理器, 启动新的 M 处理 timer
}
}
}另外， P 没有 timer 了的时候，也会尝试偷窃其余 P 的 timer 执行。
sleep 的实现
每个
goroutine底层的G对象上，都有一个timer属性，这是个runtimeTimer对象，专门给sleep使用。当第一次调用sleep的时候，会创建这个runtimeTimer，之后sleep的时候会一直复用这个timer对象。调用
sleep时，触发timer后，直接调用gopark，将当前goroutine挂起。它的
callback就是goready，timer到期后触发这个goready回调，该回调内容就是唤醒被挂起的goroutine。
参考
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