利用C语言实现经典多级时间轮定时器

下面我将详细讲解如何利用C语言实现经典多级时间轮定时器。为了更好地演示，我将分以下五个步骤介绍：

1. 定义时间轮结构体
2. 插入定时器
3. 删除定时器
4. 时间轮转动及定时任务的处理
5. 示例说明

1. 定义时间轮结构体

首先，我们需要定义一个时间轮结构体，用于存储定时器信息和管理定时器。结构体包含时间轮的精度、时间间隔、槽数量等信息，以及一个指针数组用于存储定时器节点。定义如下：

// 定时器节点结构体
typedef struct TimerNode {
    int slot;                  // 定时器所在槽的位置
    void (*func)(void *);      // 定时器回调函数
    void *arg;                 // 回调函数参数
    struct TimerNode *next;    // 下一个定时器节点指针
} TimerNode;

// 时间轮结构体
typedef struct TimeWheel {
    int wheel_power;         // 时间轮的级数
    int wheel_size;          // 时间轮槽的数量
    int interval_sec;        // 时间轮的单位时间长度（秒）
    int current_slot;        // 当前时间轮的槽位置
    TimerNode **slots;       // 时间轮的槽数组指针
} TimeWheel;

2. 插入定时器

接着，我们需要实现插入定时器节点的功能。由于时间轮是一个循环结构，我们需要通过取模得到定时器节点要存储的槽位置。然后，我们将新的定时器节点插入到该槽的链表中。如果该槽中没有其它定时器节点，则将该定时器节点设置为槽的头结点。

int InsertTimerNode(TimeWheel *tw, TimerNode *node, int expire_sec) {
    if (expire_sec < 0) return -1;

    int idx = (tw->current_slot + expire_sec / tw->interval_sec) % tw->wheel_size;
    node->slot = idx;

    TimerNode *slot_head = tw->slots[idx];
    if (slot_head == NULL) {
        tw->slots[idx] = node;
        return 0;
    }

    TimerNode *cur = slot_head;
    TimerNode *prev = NULL;
    while (cur) {
        if (expire_sec < cur->slot * tw->interval_sec) {
            break;
        }
        prev = cur;
        cur = cur->next;
    }

    if (prev == NULL) {
        node->next = slot_head;
        tw->slots[idx] = node;
    } else {
        prev->next = node;
        node->next = cur;
    }

    return 0;
}

3. 删除定时器

删除定时器节点的方法与插入类似，首先需要计算出该定时器节点所在的槽位置，然后遍历该槽的链表找到该定时器节点并删除。

int DeleteTimerNode(TimeWheel *tw, TimerNode *node) {
    int idx = node->slot;
    TimerNode *slot_head = tw->slots[idx];
    if (node == slot_head) {
        tw->slots[idx] = node->next;
        free(node);
        return 0;
    }

    TimerNode *cur = slot_head;
    TimerNode *prev = NULL;
    while (cur) {
        if (cur == node) {
            prev->next = node->next;
            free(node);
            return 0;
        }
        prev = cur;
        cur = cur->next;
    }

    return -1;
}

4. 时间轮转动及定时任务的处理

实现了插入和删除定时器节点的功能后，我们需要让时间轮转动起来，并处理定时任务。具体做法是，每隔固定的时间间隔，时间轮指针向前移动一个槽位，同时将该槽中的所有定时器节点取出，执行定时任务。

void TimeWheelTick(TimeWheel *tw) {
    tw->current_slot = (tw->current_slot + 1) % tw->wheel_size;
    TimerNode *slot_head = tw->slots[tw->current_slot];
    TimerNode *cur = slot_head;
    TimerNode *prev = NULL;
    while (cur) {
        if (cur->func) {
            cur->func(cur->arg);
        }
        prev = cur;
        cur = cur->next;
        free(prev);
    }
    tw->slots[tw->current_slot] = NULL;
}

5. 示例说明

为了更好地理解以上实现方法，下面我将举两个例子加以说明。

例1：假设时间轮有两级，槽的数量分别为8和32，以1秒为单位的话，可以覆盖8*32=256秒的时间。我们现在要插入一个定时时间为3秒的定时器，该定时器应该被插入到第11个槽中。具体实现方法如下：

TimeWheel tw;
tw.wheel_power = 2;
tw.wheel_size = 8;
tw.interval_sec = 1;
tw.current_slot = 0;
tw.slots = (TimerNode **)calloc(tw.wheel_size, sizeof(TimerNode *));
TimerNode *tn = (TimerNode *)malloc(sizeof(TimerNode));
tn->func = callback_func;
tn->arg = callback_arg;
InsertTimerNode(&tw, tn, 3);

例2：我们现在希望定时器能够周期性地执行一些任务，可以通过定时器回调函数本身来实现。该回调函数需要接收一个参数，表示定时器的ID。具体实现方法如下：

int callback_func(void *arg) {
    int timer_id = *(int *)arg;
    printf("Timer %d expired!\n", timer_id);
    InsertTimerNode(tw, node, 3);   // 重新插入定时器以实现周期性任务
    return 0;
}

TimeWheel tw;
tw.wheel_power = 2;
tw.wheel_size = 8;
tw.interval_sec = 1;
tw.current_slot = 0;
tw.slots = (TimerNode **)calloc(tw.wheel_size, sizeof(TimerNode *));
int timer_id = 0;
while (1) {
    TimerNode *node = (TimerNode *)malloc(sizeof(TimerNode));
    node->func = callback_func;
    node->arg = &timer_id;
    InsertTimerNode(&tw, node, 3);
    sleep(1);
    TimeWheelTick(&tw);
    timer_id++;
}

以上就是利用C语言实现经典多级时间轮定时器的完整攻略，希望能对您有帮助！