时间轮算法

思考

假如现在有个任务需要3s后执行，你会如何实现？

线程实现：让线程休眠3s

如果存在大量任务时，每个任务都需要一个单独的线程，那这个方案的消耗是极其巨大的，那么如何实现高效的调度呢？

时间轮算法就被提出来了

时间轮实现：下图是一个有12个时间格的时间轮，转完一圈需要12s。当我们需要新建一个3s后执行的定时任务，只需要将定时任务放在下标为3的时间格中即可。

当我们需要创建一个12s后执行的定时任务呢？（当前槽位为3）

添加刻度实现，按1秒为一个时间刻度，那么一天会有86400个刻度，当我继续添加一个任务，是86000秒后执行，那么其中大部分轮询都是空轮询，而且会浪费内存空间（每个刻度都有自己的任务队列）

这个时候可以引入“圈数/轮数”的概念，也就是说这个任务还是放在

下标为3的时间格中，不过它的圈数为1（圈数从0开始）。

当我们需要创建一个350s后自动完成的定时任务呢？

如果都用 round 来处理的话，那这个 round 将会变的非常大的一个数字，也会在任务列表中插入很多当前不需要执行的任务，如果每次都执行上面的逻辑，显然会浪费大量的资源。

时间轮

时间轮的数据结构

如上图所示，就是时间轮的一个基础结构，一个 存储定时任务的环形队列，底层采用数组实现，数组中的每个元素可以存放一个定时任务列表（TimerTaskList）。定时任务列表 是一个环形的双向链表，链表中的每一项表示的都是定时任务项（TimerTaskEntry），其中封装了真正的定时任务 TimerTask。

单层时间轮

现在我们不增加刻度，而是通过添加round属性来描述任务。假设我们时间大小设置为20s，我们添加三个任务：

1. 10秒后执行的任务
2. 30秒后执行的任务
3. 50秒后执行的任务

那么这三个任务都在10刻度的任务队列中，分别为round=0, round=1, round=2。时间轮每移动一个刻度时，遍历任务队列取出round=0的任务执行，然后将其余的任务 round-1。

槽位计算公式：定时器放置的槽位 =（当前时间 + 定时器的延迟时间）%  槽位数量

(3+12)%12=3

10%20=10

30%20=10

50%20=10

任务执行轮次的计算公式： 定时器执行圈数 = （(任务执行时间 - 当前时间）/ 固定单位时间）% 槽位数量

((12-0)/12)%12 = 0

((10-0)/20)%20 = 0

((30-0)/20)%20 = 1

((50-0)/20)%20 = 2

基于round的时间轮虽然解决了浪费内存空间的问题，但当时间刻度小，任务队列长的时候会增加耗时。

多层时间轮

与基于round的时间轮不同，分层时间轮采用层级联动的方式，具有以下特点：

1. 不做遍历计算round，每一个刻度中的任务都是应该执行的。
2. 当任务执行时间超过当前刻度范围时，进入下一层时间轮的范围。
3. 定时任务通过升级和降级来转移队列中的位置。

基本模型构成

• tickMs（基本时间跨度）：时间轮由多个时间格组成，每个时间格代表当前时间轮的基本时间跨度（tickMs）。
• wheelSize（时间单位个数）：时间轮的时间格个数是固定的，可用（wheelSize）来表示，那么整个时间轮的总体时间跨度（interval）可以通过公式 tickMs × wheelSize计算得出

上图的时间轮，设第 1 层的时间精度为 1s，第 2 层的时间精度为 20s，第 3 层的时间精度为 400s。假如我们需要添加一个 350s 后执行的任务 A 的话（当前时间是 0s），这个任务会被放在第 2 层（因为第二层的时间跨度为 20*20=400>350）的第 350/20=17 个时间格子。

当第一层转了 17 圈之后，时间过去了 340s ，第 2 层的指针此时来到第 17 个时间格子。此时，第 2 层第 17 个格子的任务会被降级到第 1 层。

任务 A 当前是 10s 之后执行，因此它会被移动到第 1 层的第 10 个时间格子。

时间轮的应用

时间轮的思想应用范围非常广泛，各种操作系统的定时任务调度，Crontab、Dubbo、新版的XXL-JOB、还有基于java的通信框架Netty中也有时间轮的实现，几乎所有的时间任务调度系统采用的都是时间轮的思想。