多級時間輪實現框架
一. 多級時間輪實現框架
上圖是5個時間輪級聯的效果圖。中間的大輪是工作輪，只有在它上的任務才會被執行；其他輪上的任務時間到后遷移到下一級輪上，他們最終都會遷移到工作輪上而被調度執行。
多級時間輪的原理也容易理解：就拿時鐘做說明，秒針轉動一圈分針轉動一格；分針轉動一圈時針轉動一格；同理時間輪也是如此：當低級輪轉動一圈時，高一級輪轉動一格，同時會將高一級輪上的任務重新分配到低級輪上。從而實現了多級輪級聯的效果。
1.1 多級時間輪對象
多級時間輪應該至少包括以下內容：
- 每一級時間輪對象
- 輪子上指針的位置
關于輪子上指針的位置有一個比較巧妙的辦法：那就是位運算。比如定義一個無符號整型的數：
通過獲取當前的系統時間便可以通過位操作轉換為時間輪上的時間，通過與實際時間輪上的時間作比較，從而確定時間輪要前進調度的時間，進而操作對應時間輪槽位對應的任務。
為什么至少需要這兩個成員呢？
- 定義多級時間輪，首先需要明確的便是級聯的層數，也就是說需要確定有幾個時間輪。
- 輪子上指針位置，就是當前時間輪運行到的位置，它與真實時間的差便是后續時間輪需要調度執行，它們的差值是時間輪運作起來的驅動力。
多級時間輪對象的定義
//實現5級時間輪 范圍為0~ (2^8 * 2^6 * 2^6 * 2^6 *2^6)=2^32
struct tvec_base
{
unsigned long current_index;
pthread_t thincrejiffies;
pthread_t threadID;
struct tvec_root tv1; /*第一個輪*/
struct tvec tv2; /*第二個輪*/
struct tvec tv3; /*第三個輪*/
struct tvec tv4; /*第四個輪*/
struct tvec tv5; /*第五個輪*/
};
1.2 時間輪對象
我們知道每一個輪子實際上都是一個哈希表，上面我們只是實例化了五個輪子的對象，但是五個輪子具體包含什么，有幾個槽位等等沒有明確（即 struct tvec 和 struct tvec_root）。
#define TVN_BITS 6
#define TVR_BITS 8
#define TVN_SIZE (1
此外，每一個時間輪都是哈希表，因此它的類型應該至少包含兩個指針域來實現雙向鏈表的功能。這里我們為了方便使用通用的struct list_head的雙向鏈表結構。
1.3 定時任務對象
定時器的主要工作是為了在未來的特定時間完成某項任務，而這個任務經常包含以下內容：
- 任務的處理邏輯(回調函數)
- 任務的參數
- 雙向鏈表節點
- 到時時間
定時任務對象的定義
typedef void (*timeouthandle)(unsigned long );
struct timer_list{
struct list_head entry; //將時間連接成鏈表
unsigned long expires; //超時時間
void (*function)(unsigned long); //超時后的處理函數
unsigned long data; //處理函數的參數
struct tvec_base *base; //指向時間輪
};
在時間輪上的效果圖：
1.4 雙向鏈表
在時間輪上我們采用雙向鏈表的數據類型。采用雙向鏈表的除了操作上比單鏈表復雜，多占一個指針域外沒有其他不可接收的問題。而多占一個指針域在今天大內存的時代明顯不是什么問題。
至于雙向鏈表操作的復雜性，我們可以通過使用通用的struct list結構來解決，因為雙向鏈表有眾多的標準操作函數，我們可以通過直接引用list.h頭文件來使用他們提供的接口。
struct list可以說是一個萬能的雙向鏈表操作框架，我們只需要在自定義的結構中定義一個struct list對象即可使用它的標準操作接口。同時它還提供了一個類似container_of的接口，在應用層一般叫做list_entry，因此我們可以很方便的通過struct list成員找到自定義的結構體的起始地址。
關于應用層的log.h, 我將在下面的代碼中附上該文件。如果需要內核層的實現，可以直接從linux源碼中獲取。
1.5 聯結方式
多級時間輪效果圖：
二. 多級時間輪C語言實現
2.1 雙向鏈表頭文件: list.h
提到雙向鏈表，很多的源碼工程中都會實現一系列的統一的雙向鏈表操作函數。它們為雙向鏈表封裝了統計的接口，使用者只需要在自定義的結構中添加一個struct list_head結構，然后調用它們提供的接口，便可以完成雙向鏈表的所有操作。
這些操作一般都在list.h的頭文件中實現。Linux源碼中也有實現（內核態的實現）。他們實現的方式基本完全一樣，只是實現的接口數量和功能上稍有差別。
可以說這個list.h文件是學習操作雙向鏈表的不二選擇，它幾乎實現了所有的操作：增、刪、改、查、遍歷、替換、清空等等。這里我拼湊了一個源碼中的log.h函數，終于湊夠了多級時間輪中使用到的接口。
#if !defined(_BLKID_LIST_H) && !defined(LIST_HEAD)
#define _BLKID_LIST_H
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
* Simple doubly linked list implementation.
*
* Some of the internal functions ("__xxx") are useful when
* manipulating whole lists rather than single entries, as
* sometimes we already know the next/prev entries and we can
* generate better code by using them directly rather than
* using the generic single-entry routines.
*/
struct list_head {
struct list_head *next, *prev;
};
#define LIST_HEAD_INIT(name) { &(name), &(name) }
#define LIST_HEAD(name) \\
struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)
#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \\
(ptr)- >next = (ptr); (ptr)- >prev = (ptr); \\
} while (0)
static inline void
__list_add(struct list_head *entry,
struct list_head *prev, struct list_head *next)
{
next- >prev = entry;
entry- >next = next;
entry- >prev = prev;
prev- >next = entry;
}
/**
* Insert a new element after the given list head. The new element does not
* need to be initialised as empty list.
* The list changes from:
* head → some element → ...
* to
* head → new element → older element → ...
*
* Example:
* struct foo *newfoo = malloc(...);
* list_add(&newfoo- >entry, &bar- >list_of_foos);
*
* @param entry The new element to prepend to the list.
* @param head The existing list.
*/
static inline void
list_add(struct list_head *entry, struct list_head *head)
{
__list_add(entry, head, head- >next);
}
/**
* Append a new element to the end of the list given with this list head.
*
* The list changes from:
* head → some element → ... → lastelement
* to
* head → some element → ... → lastelement → new element
*
* Example:
* struct foo *newfoo = malloc(...);
* list_add_tail(&newfoo- >entry, &bar- >list_of_foos);
*
* @param entry The new element to prepend to the list.
* @param head The existing list.
*/
static inline void
list_add_tail(struct list_head *entry, struct list_head *head)
{
__list_add(entry, head- >prev, head);
}
static inline void
__list_del(struct list_head *prev, struct list_head *next)
{
next- >prev = prev;
prev- >next = next;
}
/**
* Remove the element from the list it is in. Using this function will reset
* the pointers to/from this element so it is removed from the list. It does
* NOT free the element itself or manipulate it otherwise.
*
* Using list_del on a pure list head (like in the example at the top of
* this file) will NOT remove the first element from
* the list but rather reset the list as empty list.
*
* Example:
* list_del(&foo- >entry);
*
* @param entry The element to remove.
*/
static inline void
list_del(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry- >prev, entry- >next);
}
static inline void
list_del_init(struct list_head *entry)
{
__list_del(entry- >prev, entry- >next);
INIT_LIST_HEAD(entry);
}
static inline void list_move_tail(struct list_head *list,
struct list_head *head)
{
__list_del(list- >prev, list- >next);
list_add_tail(list, head);
}
/**
* Check if the list is empty.
*
* Example:
* list_empty(&bar- >list_of_foos);
*
* @return True if the list contains one or more elements or False otherwise.
*/
static inline int
list_empty(struct list_head *head)
{
return head- >next == head;
}
/**
* list_replace - replace old entry by new one
* @old : the element to be replaced
* @new : the new element to insert
*
* If @old was empty, it will be overwritten.
*/
static inline void list_replace(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
new- >next = old- >next;
new- >next- >prev = new;
new- >prev = old- >prev;
new- >prev- >next = new;
}
/**
* Retrieve the first list entry for the given list pointer.
*
* Example:
* struct foo *first;
* first = list_first_entry(&bar- >list_of_foos, struct foo, list_of_foos);
*
* @param ptr The list head
* @param type Data type of the list element to retrieve
* @param member Member name of the struct list_head field in the list element.
* @return A pointer to the first list element.
*/
#define list_first_entry(ptr, type, member) \\
list_entry((ptr)- >next, type, member)
static inline void list_replace_init(struct list_head *old,
struct list_head *new)
{
list_replace(old, new);
INIT_LIST_HEAD(old);
}
/**
* list_entry - get the struct for this entry
* @ptr: the &struct list_head pointer.
* @type: the type of the struct this is embedded in.
* @member: the name of the list_struct within the struct.
*/
#define list_entry(ptr, type, member) \\
((type *)((char *)(ptr)-(unsigned long)(&((type *)0)- >member)))
/**
* list_for_each - iterate over elements in a list
* @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.
* @head: the head for your list.
*/
#define list_for_each(pos, head) \\
for (pos = (head)- >next; pos != (head); pos = pos- >next)
/**
* list_for_each_safe - iterate over elements in a list, but don't dereference
* pos after the body is done (in case it is freed)
* @pos: the &struct list_head to use as a loop counter.
* @pnext: the &struct list_head to use as a pointer to the next item.
* @head: the head for your list (not included in iteration).
*/
#define list_for_each_safe(pos, pnext, head) \\
for (pos = (head)- >next, pnext = pos- >next; pos != (head); \\
pos = pnext, pnext = pos- >next)
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* _BLKID_LIST_H */