简谈一下时间轮（Time Wheel）
?
如果一个程序员不知道Time Wheel，那么那个程序员一定不是个合格的程序员。
?
timer对于操作系统还是一个虚拟机语言或大型中间件都起着重要的作用，同时timer算法的选择也直接影响着性能。
?
Time Wheel翻译为时间轮，是用于实现定时器timer的经典算法，算法细节就不多说了，这里主要是看看Erlang中和Linux kernel的time wheel实现有哪些不同。
?
Erlang中的Time Wheel实现文件是time.c，kernel中的实现文件是timer.c，好了，先看看kernel中的实现吧！
?
Linux kernel中的time wheel这么多年一直没怎么改变，主要特点是以下几点：
1）kernel中的timer是在softirq中执行
2）多CPU同时执行，和process差不多，timer也可在cpu中migrate
3）使用percpu
4） 核心数据结构：
struct tvec_base { spinlock_t lock; struct timer_list *running_timer; unsigned long timer_jiffies; unsigned long next_timer; struct tvec_root tv1; struct tvec tv2; struct tvec tv3; struct tvec tv4; struct tvec tv5;} ____cacheline_aligned;?这里的base属于percpu数据，即每个cpu拥有一个base，这样每个cpu执行自己base里面的timer。这里有tv1/tv2/tv3/tv4/tv5，这几个vector维护着所有timer，每次加timer时根据timeout的时间分别加入到不同的vector中，tv1是最近的，tv5是最远的，kernel首先会在tv1中遍历timeout的timer，如果遍历完tv1，则从tv2中的timer list加到tv1中，如果tv2中的timer list用完后，再从tv3中取，注意tv3中的timer可以分布到tv1和tv2中，以此类推，实现代码如下：
#define INDEX(N) ((base->timer_jiffies >> (TVR_BITS + (N) * TVN_BITS)) & TVN_MASK)/** * __run_timers - run all expired timers (if any) on this CPU. * @base: the timer vector to be processed. * * This function cascades all vectors and executes all expired timer * vectors. */static inline void __run_timers(struct tvec_base *base){ struct timer_list *timer; spin_lock_irq(&base->lock); while (time_after_eq(jiffies, base->timer_jiffies)) { struct list_head work_list; struct list_head *head = &work_list; int index = base->timer_jiffies & TVR_MASK; /* * Cascade timers: */ if (!index && (!cascade(base, &base->tv2, INDEX(0))) && (!cascade(base, &base->tv3, INDEX(1))) && !cascade(base, &base->tv4, INDEX(2))) cascade(base, &base->tv5, INDEX(3)); ++base->timer_jiffies; list_replace_init(base->tv1.vec + index, &work_list); while (!list_empty(head)) { void (*fn)(unsigned long); unsigned long data; timer = list_first_entry(head, struct timer_list,entry); fn = timer->function; data = timer->data; timer_stats_account_timer(timer); base->running_timer = timer; detach_timer(timer, 1); spin_unlock_irq(&base->lock); call_timer_fn(timer, fn, data); spin_lock_irq(&base->lock); } } base->running_timer = NULL; spin_unlock_irq(&base->lock);}static int cascade(struct tvec_base *base, struct tvec *tv, int index){ /* cascade all the timers from tv up one level */ struct timer_list *timer, *tmp; struct list_head tv_list; list_replace_init(tv->vec + index, &tv_list); /* * We are removing _all_ timers from the list, so we * don't have to detach them individually. */ list_for_each_entry_safe(timer, tmp, &tv_list, entry) { BUG_ON(tbase_get_base(timer->base) != base); internal_add_timer(base, timer); } return index;}?可以看出，即使你加了很多长时间的timer，kernel的timer性能并没有减少，因为长时间time被分布到不同的vector中，因此Linux kernel中的time wheel算法适合大容量的timer应用场景。
（注意kernel中每个base的lock用的是spin lock，而不是mutex，下面会讲到）
?
?
下面再来看看Erlang中的timer实现，erlang普遍应用于并发量比较高的场景，erlang的process通信是通过message，message的发送接收显然离不开timer，erlang甚至把timer提升到语言语法的层次，从此可看出timer在
erlang中使用是多么的广泛。
和Linux kernel的time wheel比较，erlang有以下几点不同：
1）erlang的timer执行过程是在erlang process schedule时发生，而不是像很多中间件timer实现那样用单独的线程，这是有历史原因的（Erlang应兼顾到plain cpu的情形）。
2）erlang的scheduler线程可以有多个，所以timer wheel需要lock的支持
3）没有percpu，由于erlang在user space，所以percpu是个很难的问题，原因是抢占的问题，kernel实现的percpu可以显著提高性能，但也是有代价的，代价就是在很多percpu的处理过程中要关闭抢占，这也就是为什么RT kernel的人比较头疼percpu的原因。而在用户空间，抢占被操作系统强制执行，导致用户空间程序无法使用percpu。
4）Erlang中time wheel没有像Linux kernel那样把timeout根据相对时间挂载到tv1/tv2/tv3/tv4/tv5中，但是erlang中的wheel slot却比较大（kernel中的slot是16或64），可以是8192或65536，这在一定程度上缓解了大量长时间timer对性能带来的影响，如果把 每个wheel的slot的间隔时间算作是1ms，wheel算作8192，那么几乎是8s一个wheel就遍历完，如果程序中有大量的timer超时时间大于8s，那么那些timer就会对8192取模挂载在相应的slot下，这就意味着每次遍历是会有很多并未超时的timer被访问到，而这在Linux kernel中则不存在。核心代码如下：
static ERTS_INLINE void bump_timer_internal(erts_short_time_t dt) /* PRE: tiw_lock is write-locked */{ Uint keep_pos; Uint count; ErlTimer *p, **prev, *timeout_head, **timeout_tail; Uint dtime = (Uint) dt; /* no need to bump the position if there aren't any timeouts */ if (tiw_nto == 0) { erts_smp_mtx_unlock(&tiw_lock); return; } /* if do_time > TIW_SIZE we want to go around just once */ count = (Uint)(dtime / TIW_SIZE) + 1; keep_pos = (tiw_pos + dtime) % TIW_SIZE; if (dtime > TIW_SIZE) dtime = TIW_SIZE; timeout_head = NULL; timeout_tail = &timeout_head; while (dtime > 0) { /* this is to decrease the counters with the right amount */ /* when dtime >= TIW_SIZE */ if (tiw_pos == keep_pos) count--; prev = &tiw[tiw_pos]; while ((p = *prev) != NULL) { ASSERT( p != p->next); if (p->count < count) { /* we have a timeout */ /* remove min time */ if (tiw_min_ptr == p) { tiw_min_ptr = NULL; tiw_min = 0; } /* Remove from list */ remove_timer(p); *timeout_tail = p; /* Insert in timeout queue */ timeout_tail = &p->next; } else { /* no timeout, just decrease counter */ p->count -= count; prev = &p->next; } } tiw_pos = (tiw_pos + 1) % TIW_SIZE; dtime--; } tiw_pos = keep_pos; if (tiw_min_ptr) tiw_min -= dt; erts_smp_mtx_unlock(&tiw_lock);?综上比较，在面对大容量timer的情况下Linux kernel的time wheel算法会比Erlang更有效率一些。最后还有一点要注意，Erlang的time wheel使用的lock是mutex（上面说过Linux kernel使用spin lock），在这里那种lock会更适合time wheel呢？个人觉得spin lock会好些，毕竟临界区代码处理应该会很快。当然如果erlang中ethread mutex使用的是mutex spin机制（mutex使用的是futex，在进入kernel futex前，进行spin lock很短一段时间），那就无所谓了。
?
?
?
?