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【算法数据结构专题】「延时队列算法」史上手把手教你针对层级时间轮(TimingWheel)实现延时队列的开发实战落地(下)(一)
2023-07-25 21:32:57 】 浏览:60
Tags:时队列 史上手 时间轮 TimingWheel

承接上文

承接上一篇文章【算法数据结构专题】「延时队列算法」史上手把手教你针对层级时间轮(TimingWheel)实现延时队列的开发实战落地(上)】我们基本上对层级时间轮算法的基本原理有了一定的认识,本章节就从落地的角度进行分析和介绍如何通过Java进行实现一个属于我们自己的时间轮服务组件,最后,在告诉大家一下,其实时间轮的技术是来源于生活中的时钟。

时间轮演示结构总览

无序列表时间轮

【无序列表时间轮】主要是由LinkedList链表和启动线程、终止线程实现。

遍历定时器中所有节点,将剩余时间为 0s 的任务进行过期处理,在执行一个周期。

  • 无序链表:每一个延时任务都存储在该链表当中(无序存储)。
  • 启动线程: 直接在链表后面push ,时间复杂度 O(1)。
  • 终止线程: 直接在链表中删除节点,时间复杂度 O(1) 。

遍历周期:需要遍历链表中所有节点,时间复杂度 O(n),所以伴随着链表中的元素越来越多,速度也会越来越慢!

无序列表时间轮的长度限制了其适用场景,这里对此进行优化。因此引入了有序列表时间轮。

有序列表时间轮

与无序列表时间轮一样,同样使用链表进行实现和设计,但存储的是绝对延时时间点

  • 启动线程有序插入,比较时间按照时间大小有序插入,时间复杂度O(n),主要耗时在插入操作
  • 终止线程链表中查找任务,删除节点,时间复杂度O(n),主要耗时在插入操作

找到执行最后一个过期任务即可,无需遍历整个链表,时间复杂度 O(1),从上面的描述「有序列表定时器」的性能瓶颈在于插入时的任务排序,但是换来的就是缩短了遍历周期。

所以我们如果要提高性,就必须要提升一下插入和删除以及检索的性能,因此引入了「树形有序列表时间轮」在「有序列表定时器」的基础上进行优化,以有序树的形式进行任务存储。

树形有序列表时间轮

  • 启动定时器: 有序插入,比较时间按照时间大小有序插入,时间复杂度 O(logn)
  • 终止定时器: 在链表中查找任务,删除节点,时间复杂度 O(logn)
  • 周期清算: 找到执行最后一个过期任务即可,无需遍历整个链表,时间复杂度 O(1)

层级时间轮

整体流程架构图,如下所示。

对应的原理,在这里就不进行赘述了,之前本人已经有两篇文章对层级式时间轮进行了较为详细的介绍了,有需要的小伙伴,可以直接去前几篇文章去学习,接下来我们进行相关的实现。

时间轮数据模型

时间轮(TimingWheel)是一个存储定时任务的环形队列,数组中的每个元素可以存放一个定时任务列表,其中存放了真正的定时任务,如下图所示。

时间轮的最基本逻辑模型,由多个时间格组成,每个时间格代表当前时间轮的基本时间跨度(tickMs),所以我们先来设计和定义开发对应的时间轮的轮盘模型。命名为Roulette类。

轮盘抽象类-Roulette

之所以定义这个抽象类

public abstract class Roulette {
	// 链表数据-主要用于存储每个延时任务节点
    List<TimewheelTask> tasks = null;
    // 游标指针索引
    protected int index;
	// 时间轮轮盘的容量大小,如果是分钟级别,一般就是60个格
    protected int capacity;
	// 时间轮轮盘的层级,如果是一级,它的上级就是二级
    protected Integer level;
    private AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);

   // 构造器
    public Roulette(int capacity, Integer level) {
        this.capacity = capacity;
        this.level = level;
        this.tasks = new ArrayList<>(capacity);
        this.index = 0;
    }
    // 获取当前下表的索引对应的时间轮的任务
    public TimewheelTask getTask() {
        return tasks.get(index);
    }
   // init初始化操作机制
    public List<TimewheelTask> init() {
        long interval = MathTool.power((capacity + 1), level);
        long add = 0;
        TimewheelTask delayTask = null;
        for (int i = 0; i < capacity; i++) {
            add += interval;
            if (level == 0) {
                delayTask = new DefaultDelayTask(level);
            } else {
                delayTask = new SplitDelayTask(level);
            }
            //已经转换为最小的时间间隔
            delayTask.setDelay(add, TimeUnitProvider.getTimeUnit());
            tasks.add(delayTask);
        }
        return tasks;
    }

   // 索引下标移动
    public void indexAdd() {
        this.index++;
        if (this.index >= capacity) {
            this.index = 0;
        }
    }
   // 添加对应的任务到对应的队列里面
    public void addTask(TimewheelTask task) {
        tasks.add(task);
    }
	// 给子类提供的方法进行实现对应的任务添加功能
    public abstract void addTask(int interval, MyTask task);
}
时间轮盘的熟悉信息介绍

链表数据-主要用于存储每个延时任务节点。

List<TimewheelTask> tasks = null;

tasks也可以改成双向链表 + 数组的结构:即节点存贮的对象中有指针,组成环形,可以通过数组的下标灵活访问每个节点,类似 LinkedHashMap。

游标指针索引

protected int index;

时间轮轮盘的容量大小,如果是分钟级别,一般就是60个格

protected int capacity;

时间轮轮盘的层级,如果是一级,它的上级就是二级

protected Integer level;

init初始化时间轮轮盘对象模型,主要用于分配分配每一个轮盘上面元素的TimewheelTask,用于延时队列的执行任务线程,已经分配对应的每一个节点的延时时间节点数据。

 public List<TimewheelTask> init() {
	   //  那么整个时间轮的总体时间跨度(interval)
        long interval = MathTool.power((capacity + 1), level);
        long add = 0;
        TimewheelTask delayTask = null;
        for (int i = 0; i < capacity; i++) {
            add += interval;
            if (level == 0) {
                delayTask = new ExecuteTimewheelTask(level);
            } else {
                delayTask = new MoveTimewheelTask(level);
            }
            //已经转换为最小的时间间隔
            del
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