Kafka中的时间轮

2024年5月2日 147次阅读 来源: 扫帚的影子
  • 时间轮由来已久，Linux内核里有它，大大小小的应用里也用它;
  • Kafka里主要用它来作大量的定时任务，超时判断等;
  • 这里我们主要分析 Kafka中时间轮实现中用到的各个类.

TimerTask

  • 所在文件：core/src/main/scala/kafka/utils/timer/TimerTask.scala
  • 这个trait, 继承于 Runnable，需要放在时间轮里执行的任务都要继承这个TimerTask
  • 每个TimerTask必须和一个TimerTaskEntry绑定，实现上放到时间轮里的是TimerTaskEntry
  • def cancel(): 取消当前的Task, 实际是解除在当前TaskEntry上的绑定
def cancel(): Unit = {
    synchronized {
      if (timerTaskEntry != null) timerTaskEntry.remove()
      timerTaskEntry = null
    }
  }

TimerTaskEntry

  • 所在文件：core/src/main/scala/kafka/utils/timer/TimerTaskList.scala
  • 作用：绑定一个TimerTask对象，然后被加入到一个TimerTaskLIst中;
  • 它是TimerTaskList这个双向列表 中的元素，因此有如下三个成员：
var list: TimerTaskList = null //属于哪一个TimerTaskList
  var next: TimerTaskEntry = null //指向其后一个元素 
  var prev: TimerTaskEntry = null //指向其前一个元素
  • TimerTaskEntry对象在构造成需要一个TimerTask对象，并且调用
timerTask.setTimerTaskEntry(this)

将TimerTask对象绑定到 TimerTaskEntry上 如果这个TimerTask对象之前已经绑定到了一个 TimerTaskEntry上, 先调用timerTaskEntry.remove()解除绑定。 * def remove():

var currentList = list
    while (currentList != null) {
      currentList.remove(this)
      currentList = list
    }

实际上就是把自己从当前所在TimerTaskList上摘掉, 为什么要使用一个while(...)来作，源码里是这样解释的：

If remove is called when another thread is moving the entry from a task entry list to another, this may fail to remove the entry due to the change of value of list. Thus, we retry until the list becomes null. In a rare case, this thread sees null and exits the loop, but the other thread insert the entry to another list later.

简单说就是相当于用个自旋锁代替读写锁来尽量保证这个remove的操作的彻底。

TimerTaskList

  • 所在文件：core/src/main/scala/kafka/utils/timer/TimerTaskList.scala
  • 作为时间轮上的一个bucket, 是一个有头指针的双向链表
  • 双向链表结构：
private[this] val root = new TimerTaskEntry(null)
  root.next = root
  root.prev = root
  • 继承于java的Delayed，说明这个对象应该是要被放入javar的DelayQueue，自然要实现下面的两个接口：
def getDelay(unit: TimeUnit): Long = {
    unit.convert(max(getExpiration - SystemTime.milliseconds, 0), TimeUnit.MILLISECONDS)
  }

  def compareTo(d: Delayed): Int = {

    val other = d.asInstanceOf[TimerTaskList]

    if(getExpiration < other.getExpiration) -1
    else if(getExpiration > other.getExpiration) 1
    else 0
  }
  • 每个 TimerTaskList都是时间轮上的一个bucket,自然也要关联一个过期 时间：private[this] val expiration = new AtomicLong(-1L)
  • add和remove方法，用来添加和删除TimerTaskEntry
  • foreach方法：在链表的每个元素上应用给定的函数;
  • flush方法:在链表的每个元素上应用给定的函数,并清空整个链表, 同时超时时间也设置为-1;

TimingWheel

  • 所在文件：core/src/main/scala/kafka/utils/timer/TimingWheel.scala
  • 上面说了这么多，终于到这个时间轮出场了，说简单也简单，说复杂也复杂;
  • 简言之，就是根据每个TimerTaskEntry的过期时间和当前时间轮的时间，选择一个合适的bucket(实际上就是TimerTaskList),这个桶的超时时间相同(会去余留整), 把这个TimerTaskEntry对象放进去，如果当前的bucket因超时被DelayQueue队列poll出来的话, 以为着这个bucket里面的都过期, 会调用这个bucket的flush方法, 将里面的entry都再次add一次,在这个add里因task已过期,将被立即提交执行,同时reset这个bucket的过期时间, 这样它就可以用来装入新的task了, 感谢我的同事”阔哥”的批评指正.
  • 这个时间轮是支持层级的，就是如果当前放入的TimerTaskEntry的过期时间如果超出了当前层级时间轮的覆盖范围，那么就创始一个overflowWheel: TimingWheel，放进去，只不过这个新的时间轮的降低了很多，那的tick是老时间轮的interval(相当于老时间轮的tick * wheelSize), 基本可以类比成钟表的分针和时针;
  • def add(timerTaskEntry: TimerTaskEntry): Boolean: 将TimerTaskEntry加入适当的TimerTaskList;
  • def advanceClock(timeMs: Long)::推动时间轮向前走，更新CurrentTime
  • 值得注意的是，这个类不是线程安全的，也就是说add方法和advanceClock的调用方式使用者要来保证;
  • 关于这个层级时间轮的原理，源码里有详细的说明.

Timer

  • 所在文件：core/src/main/scala/kafka/utils/timer/Timer.scala
  • 上面讲了这么多，现在是时候把这些组装起来了，这就是个用TimingWheel实现的定时器，可以添加任务，任务可以取消，可以到期被执行;
  • 构造一个TimingWheel:
private[this] val delayQueue = new DelayQueue[TimerTaskList]()
  private[this] val taskCounter = new AtomicInteger(0)
  private[this] val timingWheel = new TimingWheel(
    tickMs = tickMs,
    wheelSize = wheelSize,
    startMs = startMs,
    taskCounter = taskCounter,
    delayQueue
  )
  • taskExecutor: ExecutorService: 用于执行具体的task;
  • 这个类为线程安全类，因为TimingWhell本身不是线程安全，所以对其操作需要加锁：
// Locks used to protect data structures while ticking
  private[this] val readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock()
  private[this] val readLock = readWriteLock.readLock()
  private[this] val writeLock = readWriteLock.writeLock()
  • def add(timerTask: TimerTask)::添加任务到定时器，通过调用def addTimerTaskEntry(timerTaskEntry: TimerTaskEntry):实现：
if (!timingWheel.add(timerTaskEntry)) {
      // Already expired or cancelled
      if (!timerTaskEntry.cancelled)
        taskExecutor.submit(timerTaskEntry.timerTask)
    }

timingWheel.add(timerTaskEntry):如果任务已经过期或被取消，则return false; 过期的任务被提交到taskExcutor执行;

  • def advanceClock(timeoutMs: Long):
var bucket = delayQueue.poll(timeoutMs, TimeUnit.MILLISECONDS)
    if (bucket != null) {
      writeLock.lock()
      try {
        while (bucket != null) {
          timingWheel.advanceClock(bucket.getExpiration())
          bucket.flush(reinsert)
          bucket = delayQueue.poll()
        }
      } finally {
        writeLock.unlock()
      }
      true
    } else {
      false
    }
  1. delayQueue.poll(timeoutMs, TimeUnit.MILLISECONDS) 获取到期的bucket;
  2. 调用timingWheel.advanceClock(bucket.getExpiration())
  3. bucket.flush(reinsert):对bucket中的每一个TimerEntry调用reinsert, 实际上是调用addTimerTaskEntry(timerTaskEntry)， 此时到期的Task会被执行;
    原文作者：扫帚的影子
    原文地址: https://zhuanlan.zhihu.com/p/51405974
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