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使用C++11的特性来设计和实现API友好的高精度定时器TimerController

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为什么设计和实现TimerController？

最新的TimerController代码保存在Github上面：https://github.com/zuocheng-liu/StemCell ，包含timer_controller.h 和 timer_controller.cpp两个文件，欢迎审阅！

因为软件设计中面临了一些实际问题

尤其在使用C++开发网络应用时常遇到下面的问题：

一、软件设计中，不会缺少通过使用定时器的来实现的场景，比如超时控制、定时任务、周期任务。

二、C/C++标准库中只有最原始的定时接口。没有提供功能完备的库来满足上面提到复杂场景。

三、第三方库中的定时器，往往存在一些问题，比如：

  • libevent、libev、libue 不是线程安全的，在多线程系统中，为了保证线程安全需要额外再进行封装。
  • redis的异步库libae对延时时间的处理是不准确的。

以上问题会让开发者开发新系统时带来一些困扰，但C++11新特性的出现，带来了解决上面问题的新思路。

C++11的新特性让定时器的实现更简单友好

TimerController接口更友好

接口参数支持C++11的lamaba表达式，让定时器的接口对开发人员更加友好。

代码更精简

TimerController的代码总计300~400行，而且功能完备，代码健壮。
C++11的新特性的使用，让代码更简洁，增强代码的可读性、可维护性。

保证线程安全

线程安全，是绕不开的问题。第三方库libevent等，在多线程环境中使用总是危险的。TimerController在设计之初就保证多线程环境下运行的安全性。

没有第三方依赖。

TimerController，没有依赖任何第三方库，完全依靠C/C++标准库和C++11的新特性来实现。

TimerController 接口设计

class TimerController {
    bool init(); // 初始化资源，并启动定时器
    void stop(); // 停止定时器，所有定时任务失效

    // 定时运行任务，参数delay_time单位是毫秒。后面参数是lamba表达式
    template<class F, class... Args>
    void delayProcess(uint32_t delay_time, F&& f, Args&&... args);

    // 周期运行任务，参数interval单位是毫秒，后面参数是lamba表达式。
    template<class F, class... Args>
    void  cycleProcess(uint32_t interval, F&& f, Args&&... args);
}

用一个实例来讲解TimerController的使用方法：

#include <iostream>
#include "timer_controller.h"
using namespace std;
using namespace StemCell;
int main() {
    srand((unsigned)time(NULL));
    try {
        TimerController tc;
        tc.init(); // 初始化 TimerController
        tc.cycleProcess(500, [=]() { cout << "cycle 0.5 sec" << endl; });
        for (int i = 0; i < 80; ++i) {
            // 随机产生80个延时任务，并延时执行
            auto seed = rand() % 8000;
            tc.delayProcess(seed + 1, [=]() { cout << "delay:" << seed << endl; });
        }
        sleep(8);  // 主线程睡眠8秒，让延时任务得以执行
        tc.stop(); // 停止 TimerController
        cout << "tc stoped!" << endl;
    } catch (exception& e) {
        cout << "error:" << e.what();
    }
    return 0;
}

TimerController 实现原理

TimerController如何实现定时的原理和libevent并无不同，都使用了Reactor的设计模式。但是TimerController通过生产者、消费者模型，来实现多线程添加定时任务，并保证线程安全。TimerController使用了C++11的新特性，简化了代码实现。

  • 使用最小堆来管理延时任务和周期任务
  • 使用1个timerfd配合epoll来实现定时任务的激活
  • 使用1个eventfd配合epoll来实现定时任务的添加
  • 使用一个线程安全的队列，实现生产者消费者模型。TimerController使用场景为多线程写，TimerController内部1个线程来读。

TimerController 高级用法

高延时的任务的处理

TimerController内部只有1个线程在执行定时任务。当高延时的任务增多时，可能会影响到任务运行的调度时间，高延时的任务需要在放入新的线程中运行。示例如下：

TimerController tc;
tc.init(); // 初始化 TimerController
// 把任务放入新线程或线程池中
tc.delayProcess(50, []() { std::thread([]() { do_long_time_task();}) });

TimerController保持全局单例

为了系统简洁，TimerController全局单例即可。
auto& tc = Singleton< TimerController >::GetInstance();

其他

如何避免CPU负载高时，定时器失准的问题？

TimerController 有待改进的点

  • 无锁化，目前使用了自旋锁在保证task队列的线程间互斥，后续可使用无锁队列替代有锁队列。
  • TimerController精度目前只有1毫秒，主要因为博主做网络开发都是毫秒级的，后续可以让TimerController支持更小的精度。
  • TimerController 使用了epoll、timerfd、eventfd等，只能在linux平台上面使用

源码地址

具体实现在 timer_controller.h 和 timer_controller.cpp两个文件里面。