Muduo网络库源码分析（二） 定时器TimeQueue，Timer,TimerId
首先，我们先要明白为什么需要设计这样一个定时器类？
在开发Linux网络程序时，通常需要维护多个定时器，如维护客户端心跳时间、检查多个数据包的超时重传等。如果采用Linux的SIGALARM信号实现，则会带来较大的系统开销，且不便于管理。
Muduo 的 TimerQueue 采用了最简单的实现（链表）来管理定时器，它的效率比不上常见的 binary heap 的做法，如果程序中大量（10 个以上）使用重复触发的定时器，或许值得考虑改用更高级的实现。由于目前还没有在一个程序里用过这么多定时器，暂时也不需要优化 TimerQueue。
（一）定时函数的选取
定时函数，用于让程序等待一段时间或安排计划任务： sleep alarm usleep nanosleep clock_nanosleep getitimer / setitimer timer_create / timer_settime / timer_gettime / timer_delete timerfd_create / timerfd_gettime / timerfd_settime
最终我们选择了下面的函数：
#include <sys/timerfd.h> int timerfd_create(int clockid, int flags); // timerfd_create() creates a new timer object, and returns a file descriptor that refers to that timer. int timerfd_settime(int fd, int flags, const struct itimerspec *new_value, struct itimerspec *old_value); int timerfd_gettime(int fd, struct itimerspec *curr_value)
timerfd_* 入选的原因：
（1）sleep / alarm / usleep 在实现时有可能用了信号 SIGALRM，在多线程程序中处理信号是个相当麻烦的事情，应当尽量避免。（2）nanosleep 和 clock_nanosleep 是线程安全的，但是在非阻塞网络编程中，绝对不能用让线程挂起的方式来等待一段时间，程序会失去响应。正确的做法是注册一个时间回调函数。
（3）getitimer 和 timer_create 也是用信号来 deliver 超时，在多线程程序中也会有麻烦。
（4）timer_create 可以指定信号的接收方是进程还是线程，算是一个进步，不过在信号处理函数(signal handler)能做的事情实在很受限。
（5）timerfd_create 把时间变成了一个文件描述符，该“文件”在定时器超时的那一刻变得可读，这样就能很方便地融入到 select/poll 框架中，用统一的方式来处理 IO 事件和超时事件，这也正是 Reactor 模式的长处。
传统的Reactor 利用select/poll/epoll 的timeout 来实现定时功能，但poll 和epoll 的定时精度只有毫秒，远低于timerfd_settime 的定时精度。
（二）TimerId、Timer、TimerQueue分析
muduo的定时器由三个类实现，TimerId、Timer、TimerQueue，用户只能看到第一个类，其它两个都是内部实现细节
TimerQueue的接口很简单，只有两个函数addTimer和cancel。
EventLoop
runAt 在某个时刻运行定时器
runAfter 过一段时间运行定时器
runEvery 每隔一段时间运行定时器
cancel 取消定时器
TimerQueue数据结构的选择，能快速根据当前时间找到已到期的定时器，也要高效的添加和删除Timer，因而可以用二叉搜索树，用map或者set
typedef std::pair<Timestamp, Timer*> Entry;
typedef std::set<Entry> TimerList;
时序图：
分析：TimerQueue 中有多个定时器，一次性的和重复的，事件循环开始EventLoop::loop()，当最早到期定时器超时时，poll() 返回timerfd_ 的可读事件（timerfdChannel_），调用Channel::handleEvent(),调用readCallback_(receiveTime); 进而调用Channel::setReadCallback 注册的TimerQueue::handleRead(), 在函数内先read 掉timerfd_数据，避免一直触发可读事件，接着遍历TimerQueue中此时所有超时的定时器，调用每个定时器构造时传递的回调函数。
（1）TimerId 只有两个成员，TimerId主要用于取消Timer:
#ifndef MUDUO_NET_TIMERID_H
#define MUDUO_NET_TIMERID_H
#include <muduo/base/copyable.h>
namespace muduo
{
namespace net
{
class Timer;
/// An opaque identifier, for canceling Timer.
class TimerId : public muduo::copyable
{
public:
TimerId()
: timer_(NULL),
sequence_(0)
{
}
TimerId(Timer* timer, int64_t seq)
: timer_(timer),
sequence_(seq)
{
}
// default copy-ctor, dtor and assignment are okay
friend class TimerQueue;
private:
Timer* timer_;
int64_t sequence_;
};
}
}
#endif // MUDUO_NET_TIMERID_H
（2）Timer 是对定时操作的高度抽象，有多个数据成员，可以根据不同情况设置每个Timer超时的回调函数。
/// Internal class for timer event.
///
class Timer : boost::noncopyable
{
public:
Timer(const TimerCallback& cb, Timestamp when, double interval)
: callback_(cb),
expiration_(when),
interval_(interval),
repeat_(interval > 0.0),
sequence_(s_numCreated_.incrementAndGet())
{ }
void run() const
{
callback_();
}
Timestamp expiration() const { return expiration_; }
bool repeat() const { return repeat_; }
int64_t sequence() const { return sequence_; }
void restart(Timestamp now);
static int64_t numCreated() { return s_numCreated_.get(); }
private:
const TimerCallback callback_; // 定时器回调函数
Timestamp expiration_; // 下一次的超时时刻
const double interval_; // 超时时间间隔，如果是一次性定时器，该值为0
const bool repeat_; // 是否重复
const int64_t sequence_; // 定时器序号
static AtomicInt64 s_numCreated_; // 定时器计数，当前已经创建的定时器数量
};
}
}
（3）TimerQueue的公有接口很简单，只有两个函数addTimer和cancel, TimerQueue 数据结构的选择，能快速根据当前时间找到已到期的定时器，也要高效的添加和删除Timer，因而可以用二叉搜索树，用map或者set。Timequeue关注最早的定时器，getExpired返回所有的超时定时器列表，使用low_bound返回第一个值>=超时定时器的迭代器。
class TimerQueue : boost::noncopyable
{
public:
TimerQueue(EventLoop* loop);
~TimerQueue();
///
/// Schedules the callback to be run at given time,
/// repeats if @c interval > 0.0.
///
/// Must be thread safe. Usually be called from other threads.
// 一定是线程安全的，可以跨线程调用。通常情况下被其它线程调用。
TimerId addTimer(const TimerCallback& cb,
Timestamp when,
double interval);
void cancel(TimerId timerId);
private:
// FIXME: use unique_ptr<Timer> instead of raw pointers.
// unique_ptr是C++ 11标准的一个独享所有权的智能指针
// 无法得到指向同一对象的两个unique_ptr指针
// 但可以进行移动构造与移动赋值操作，即所有权可以移动到另一个对象（而非拷贝构造）
typedef std::pair<Timestamp, Timer*> Entry;
typedef std::set<Entry> TimerList;
typedef std::pair<Timer*, int64_t> ActiveTimer;
typedef std::set<ActiveTimer> ActiveTimerSet;
// 以下成员函数只可能在其所属的I/O线程中调用，因而不必加锁。
// 服务器性能杀手之一是锁竞争，所以要尽可能少用锁
void addTimerInLoop(Timer* timer);
void cancelInLoop(TimerId timerId);
// called when timerfd alarms
void handleRead();
// move out all expired timers
// 返回超时的定时器列表
std::vector<Entry> getExpired(Timestamp now);
void reset(const std::vector<Entry>& expired, Timestamp now);
bool insert(Timer* timer);
EventLoop* loop_; // 所属EventLoop
const int timerfd_;
Channel timerfdChannel_;
// Timer list sorted by expiration
TimerList timers_; // timers_是按到期时间排序
// for cancel()
// timers_与activeTimers_保存的是相同的数据
// timers_是按到期时间排序，activeTimers_是按对象地址排序
ActiveTimerSet activeTimers_;
bool callingExpiredTimers_; /* atomic */
ActiveTimerSet cancelingTimers_; // 保存的是被取消的定时器
};
解释一个关键点：
rvo优化：
struct Foo
{
Foo() { cout << "Foo ctor" << endl; }
Foo(const Foo&) { cout << "Foo copy ctor" << endl; }
void operator=(const Foo&) { cout << "Foo operator=" << endl; }
~Foo() { cout << "Foo dtor" << endl; }
};
Foo make_foo()
{
Foo f;
return f;
}
make_foo函数的返回对象，在linux下g++和vc++Release版本下，不会调用拷贝构造函数，而是直接返回对象，这就叫做rvo优化。但是vc下的debug版本没有做这个优化，读者可以自己测试一下。
如果对于上面的定时器类还是不理解，可以参考下这篇博客： http://blog.csdn.net/w616589292/article/details/45694987
没有那么多优化的技巧可能更容易理解！不过是用最小堆实现的哈。