Timing wheel

本来在看netty5的源码，后来里面使用timewheel实现定时任务，就了解下是什么玩意，转载3篇文章：
http://www.cppblog.com/Solstice/archive/2011/05/04/145691.html这篇理论讲的不错，c++的实现 http://blog.csdn.net/mindfloating/article/details/8033340 java实现
http://biocy.iteye.com/blog/2006928，对上一篇java实现的改进
在严肃的网络程序中，应用层的心跳协议是必不可少的。应该用心跳消息来判断对方进程是否能正常工作，“踢掉空闲连接”只是一时权宜之计。我这里想顺便讲讲 shared_ptr 和 weak_ptr 的用法。

如果一个连接连续几秒钟（后文以 8s 为例）内没有收到数据，就把它断开，为此有两种简单粗暴的做法：
每个连接保存“最后收到数据的时间 lastReceiveTime”，然后用一个定时器，每秒钟遍历一遍所有连接，断开那些 (now - connection.lastReceiveTime) > 8s 的 connection。这种做法全局只有一个 repeated timer，不过每次 timeout 都要检查全部连接，如果连接数目比较大（几千上万），这一步可能会比较费时。
每个连接设置一个 one-shot timer，超时定为 8s，在超时的时候就断开本连接。当然，每次收到数据要去更新 timer。这种做法需要很多个 one-shot timer，会频繁地更新 timers。如果连接数目比较大，可能对 reactor 的 timer queue 造成压力。

使用 timing wheel 能避免上述两种做法的缺点。timing wheel 可以翻译为“时间轮盘”或“刻度盘”，本文保留英文。

连接超时不需要精确定时，只要大致 8 秒钟超时断开就行，多一秒少一秒关系不大。处理连接超时可以用一个简单的数据结构：8 个桶组成的循环队列。第一个桶放下一秒将要超时的连接，第二个放下 2 秒将要超时的连接。每个连接一收到数据就把自己放到第 8 个桶，然后在每秒钟的 callback 里把第一个桶里的连接断开，把这个空桶挪到队尾。这样大致可以做到 8 秒钟没有数据就超时断开连接。更重要的是，每次不用检查全部的 connection，只要检查第一个桶里的 connections，相当于把任务分散了。

Timing wheel 原理

《Hashed and hierarchical timing wheels: efficient data structures for implementing a timer facility》这篇论文详细比较了实现定时器的各种数据结构，并提出了层次化的 timing wheel 与 hash timing wheel 等新结构。针对本文要解决的问题的特点，我们不需要实现一个通用的定时器，只用实现 simple timing wheel 即可。

Simple timing wheel 的基本结构是一个循环队列，还有一个指向队尾的指针 (tail)，这个指针每秒钟移动一格，就像钟表上的时针，timing wheel 由此得名。

以下是某一时刻 timing wheel 的状态，格子里的数字是倒计时（与通常的 timing wheel 相反），表示这个格子（桶子）中的连接的剩余寿命。



一秒钟以后，tail 指针移动一格，原来四点钟方向的格子被清空，其中的连接已被断开。

连接超时被踢掉的过程

假设在某个时刻，conn 1 到达，把它放到当前格子中，它的剩余寿命是 7 秒。此后 conn 1 上没有收到数据。



1 秒钟之后，tail 指向下一个格子，conn 1 的剩余寿命是 6 秒。



又过了几秒钟，tail 指向 conn 1 之前的那个格子，conn 1 即将被断开。



下一秒，tail 重新指向 conn 1 原来所在的格子，清空其中的数据，断开 conn 1 连接。

连接刷新

如果在断开 conn 1 之前收到数据，就把它移到当前的格子里。



收到数据，conn 1 的寿命延长为 7 秒。



时间继续前进，conn 1 寿命递减，不过它已经比第一种情况长寿了。

多个连接

timing wheel 中的每个格子是个 hash set，可以容纳不止一个连接。

比如一开始，conn 1 到达。



随后，conn 2 到达，这时候 tail 还没有移动，两个连接位于同一个格子中，具有相同的剩余寿命。（下图中画成链表，代码中是哈希表。）



几秒钟之后，conn 1 收到数据，而 conn 2 一直没有收到数据，那么 conn 1 被移到当前的格子中。这时 conn 1 的寿命比 conn 2 长。