Dubbo中的时间轮(Time Wheel)算法应用

开发 后端 算法
Netty、Quartz、Kafka 以及 Linux 都有定时任务功能,JDK 自带的 java.util.Timer 和 DelayedQueue 可实现简单的定时任务,底层用的是堆,存取复杂度都是 O(nlog(n)),但无法支撑海量定时任务,在任务量大、性能要求高的场景,为了将任务存取及取消操作时间复杂度降为 O(1),会采用时间轮算法。

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1 定时任务

 Netty、Quartz、Kafka 以及 Linux 都有定时任务功能。

JDK 自带的 java.util.Timer 和 DelayedQueue 可实现简单的定时任务,底层用的是堆,存取复杂度都是 O(nlog(n)),但无法支撑海量定时任务。

在任务量大、性能要求高的场景,为了将任务存取及取消操作时间复杂度降为 O(1),会采用时间轮算法。

2 时间轮模型及其应用

 

一种高效批量管理定时任务的调度模型。一般会实现成一个环形结构,类似一个时钟,分为很多槽,一个槽代表一个时间间隔,每个槽使用双向链表存储定时任务。

指针周期性跳动,跳动到一个槽位,就执行该槽位的定时任务。

Hashed Timing Wheel 结构示意图

  • 故障恢复
  • 流量控制
  • 调度算法
  • 控制网络中的数据包生命周期

计时器维护代价高,如果

  • 处理器在每个时钟滴答声中都会中断
  • 使用精细粒度计时器
  • 未完成的计时器很多

需要高效的定时器算法以减少总体中断的开销。

单层时间轮的容量和精度都是有限的,对于精度要求特别高、时间跨度特别大或是海量定时任务需要调度的场景,通常会使用多级时间轮以及持久化存储与时间轮结合的方案。

 

模型和性能指标

模型中的规则

客户端调用:

  • START_TIMER(时间间隔,Request_ID,Expiry_Action)
  • STOP_TIMER(Request_ID)

计时器tick调用:

  • PER_TICK_BOOKKEEPING
  • EXPIRY_PROCESSING

性能指标

  • 空间

           数据结构使用的内存

  • 延迟

           开始和结束上述任何例程所需的时间

3 Dubbo的时间轮结构

 

Dubbo 时间轮实现位于 dubbo-common 模块的 org.apache.dubbo.common.timer 包,下面我们就来分析时间轮涉及的核心接口和实现。

 

核心接口

TimerTask

 在 Dubbo 中,所有定时任务都要实现 TimerTask 接口。只定义了一个 run() 方法,入参是一个 Timeout 接口对象。

 Timeout

Timeout 对象与 TimerTask 对象一一对应,类似线程池返回的 Future 对象与提交到线程池中的任务对象之间的关系。
通过 Timeout 对象,不仅可以查看定时任务的状态,还可以操作定时任务(例如取消关联的定时任务)。

Timeout 接口中的方法:

Timer 接口定义了定时器的基本行为,核心是 newTimeout() :提交一个定时任务(TimerTask)并返回关联的 Timeout 对象,类似于向线程池提交任务。

 HashedWheelTimeout

 HashedWheelTimeout 是 Timeout 接口的唯一实现,是 HashedWheelTimer 的内部类。HashedWheelTimeout 扮演了两个角色:

时间轮中双向链表的节点,即定时任务 TimerTask 在 HashedWheelTimer 中的容器

定时任务 TimerTask 提交到 HashedWheelTimer 之后返回的句柄(Handle),用于在时间轮外部查看和控制定时任务

核心字段

prev、next。通过双向链表被用来在HashedWheelTimerBucket链timeouts(定时任务),由于只在WorkerThread上行动,没有必要进行同步/volatile。

task,实际被调度的任务

deadline,定时任务执行的时间。在创建 HashedWheelTimeout 时指定
计算公式:currentTime(创建 HashedWheelTimeout 的时间) + delay(任务延迟时间) - startTime(HashedWheelTimer 的启动时间),ns

state,定时任务当前所处状态

可选状态:

STATE_UPDATER 用于实现 state 状态变更的原子性。

remainingRounds,当前任务剩余的时钟周期数。时间轮所能表示的时间长度有限,在任务到期时间与当前时刻的时间差,超过时间轮单圈能表示时长,就出现套圈,需要该字段值表示剩余的时钟周期。

核心API

isCancelled()

isExpired()

state()
检查当前 HashedWheelTimeout 状态

cancel() 方法

expire() 方法

remove()

 HashedWheelBucket

 时间轮中的一个槽。
时间轮中的槽实际上就是一个用于缓存和管理双向链表的容器,双向链表中的每一个节点就是一个 HashedWheelTimeout 对象,也就关联了一个 TimerTask 定时任务。

HashedWheelBucket 持有双向链表的首尾两个节点 - head 和 tail,再加上每个 HashedWheelTimeout 节点均持有前驱和后继引用,即可正、逆向遍历整个链表。

核心API

addTimeout()

pollTimeout()

remove()
从双向链表中移除指定的 HashedWheelTimeout 节点。

clearTimeouts()
循环调用 pollTimeout() 方法处理整个双向链表,并返回所有未超时或者未被取消的任务。

expireTimeouts()
遍历双向链表中的全部 HashedWheelTimeout 节点。在处理到期的定时任务时,会通过 remove() 方法取出,并调用其 expire() 方法执行;对于已取消的任务,通过 remove() 方法取出后直接丢弃;对于未到期的任务,会将 remainingRounds 字段(剩余时钟周期数)减一。

 HashedWheelTimer

Timer 接口的实现,通过时间轮算法实现了一个定时器。

职能

根据当前时间轮指针选定对应 HashedWheelBucket 槽,从链表头部开始迭代,计算每个 HashedWheelTimeout 定时任务:

  • 属于当前时钟周期则取出运行
  • 不属于则将其剩余的时钟周期数减一

核心域

 workerState
时间轮当前所处状态,三个可选值,由 AtomicIntegerFieldUpdater 实现其原子地修改。

startTime
当前时间轮的启动时间,提交到该时间轮的定时任务的 deadline 字段值均以该时间戳为起点进行计算。

wheel
时间轮环形队列,每个元素都是一个槽。当指定时间轮槽数为 n 时,会向上取最靠近 n 的 2 次幂值

timeouts、cancelledTimeouts
HashedWheelTimer 会在处理 HashedWheelBucket 的双向链表前,先处理这俩队列的数据:

timeouts 队列
缓冲外部提交时间轮中的定时任务

cancelledTimeouts 队列
暂存取消的定时任务

tick
位于 HashedWheelTimer$Worker ,时间轮的指针,步长为 1 的单调递增计数器

mask
掩码, mask = wheel.length - 1,执行 ticks & mask 便能定位到对应的时钟槽

ticksDuration
时间指针每次加 1 所代表的实际时间,单位为纳秒。

pendingTimeouts
当前时间轮剩余的定时任务总数。

workerThread
时间轮内部真正执行定时任务的线程。

worker
真正执行定时任务的逻辑封装这个 Runnable 对象中。

newTimeout()

 提交定时任务,在定时任务进入到 timeouts 队列之前会先调用 start() 方法启动时间轮,其中会完成下面两个关键步骤:

  1. 确定时间轮的 startTime 字段
  2. 启动 workerThread 线程,开始执行 worker 任务。

之后根据 startTime 计算该定时任务的 deadline,最后才能将定时任务封装成 HashedWheelTimeout 并添加到 timeouts 队列。

4 时间轮指针一次转动的执行流程

 HashedWheelTimer$Worker.run():

  1. 时间轮指针转动,时间轮周期开始
  2. 清理用户主动取消的定时任务,这些定时任务在用户取消时,记录到 cancelledTimeouts 队列中。在每次指针转动的时候,时间轮都会清理该队列
  3. 将缓存在 timeouts 队列中的定时任务转移到时间轮中对应的槽中
  4. 根据当前指针定位对应槽,处理该槽位的双向链表中的定时任务
  5. 检测时间轮的状态。如果时间轮处于运行状态,则循环执行上述步骤,不断执行定时任务。如果时间轮处于停止状态,则执行下面的步骤获取到未被执行的定时任务并加入 unprocessedTimeouts 队列:遍历时间轮中每个槽位,并调用 clearTimeouts() 方法;对 timeouts 队列中未被加入槽中循环调用 poll()
  6. 最后再次清理 cancelledTimeouts 队列中用户主动取消的定时任务。

5 定时任务应用

 并不直接用于周期性操作,而是只向时间轮提交执行单次的定时任务,在上一次任务执行完成的时候,调用 newTimeout() 方法再次提交当前任务,这样就会在下个周期执行该任务。即使在任务执行过程中出现了 GC、I/O 阻塞等情况,导致任务延迟或卡住,也不会有同样的任务源源不断地提交进来,导致任务堆积。

Dubbo 时间轮应用主要在如下方面:

  1. 失败重试, 例如,Provider 向注册中心进行注册失败时的重试操作,或是 Consumer 向注册中心订阅时的失败重试等
  2. 周期性定时任务, 例如,定期发送心跳请求,请求超时的处理,或是网络连接断开后的重连机制

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/32906730

 

责任编辑:姜华 来源: JavaEdge
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