C#基于时间轮调度实现延迟任务详解

什么是时间轮调度

时间轮是一个计算机算法中的概念，用于实现时间驱动的操作。时间轮调度算法通过预先设置一定数量的槽位，每个槽位对应一段时间，然后在这些槽位中放置要执行的任务，根据时间轮的不断滚动，任务可以在指定的时间段内得到执行。在C#中，我们可以通过Timer类实现时间轮调度。

定义延迟任务

我们可以定义一个延迟任务的抽象类ScheduledTask，包括以下属性：

public abstract class ScheduledTask
{
    public TimeSpan Delay { get; set; }
    public abstract Task ExecuteAsync();
}

其中Delay属性表示任务执行的延迟时间，ExecuteAsync()方法是要执行的任务。

定义时间轮调度器

我们可以定义一个基于时间轮的调度器类TimeWheelScheduler，包括以下属性：

public class TimeWheelScheduler
{
    private readonly TimeSpan _interval;
    private readonly ScheduledTask[][] _wheel;
    private uint _currentIndex;

    public TimeWheelScheduler(TimeSpan interval, uint slots = 60)
    {
        _interval = interval;
        _wheel = new ScheduledTask[slots][];
        _currentIndex = 0;

        for (int i = 0; i < slots; i++)
        {
            _wheel[i] = new ScheduledTask[0];
        }
    }

    public void AddTask(ScheduledTask task)
    {
        if (task.Delay < TimeSpan.Zero)
        {
            task.Delay = TimeSpan.FromTicks(1);
        }

        uint delayInSeconds = (uint)task.Delay.TotalSeconds;
        uint ticks = delayInSeconds / (uint)_interval.TotalSeconds;

        if (ticks == 0)
        {
            ticks = 1;
        }

        uint slotIndex = (_currentIndex + ticks) % (uint)_wheel.Length;

        _wheel[slotIndex] = _wheel[slotIndex].Append(task).ToArray();
    }

    public async Task StartAsync()
    {
        while (true)
        {
            var tasks = _wheel[_currentIndex];
            foreach (var task in tasks)
            {
                await task.ExecuteAsync();
            }

            _wheel[_currentIndex] = new ScheduledTask[0];
            _currentIndex = (_currentIndex + 1) % (uint)_wheel.Length;

            await Task.Delay(_interval);
        }
    }
}

其中_interval是每个槽位的时间间隔，_wheel是时间轮的数组，_currentIndex是当前所在的槽位，AddTask方法用于添加延迟任务，StartAsync方法启动调度器。

示例一

下面是一个示例，我们创建一个TestTask，表示延迟2秒执行某个操作：

public class TestTask : ScheduledTask
{
    public override async Task ExecuteAsync()
    {
        await Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(2));
        Console.WriteLine("任务在{0}执行了", DateTime.Now);
    }
}

然后在Main方法中，添加TestTask，启动调度器：

static async Task Main(string[] args)
{
    var task = new TestTask() { Delay = TimeSpan.FromSeconds(2) };

    var scheduler = new TimeWheelScheduler(TimeSpan.FromSeconds(1));
    scheduler.AddTask(task);
    await scheduler.StartAsync();

    Console.ReadLine();
}

在输出中可以看到，TestTask在2秒后被执行：

任务在2021/5/20 10:21:13执行了

示例二

下面是另一个示例，在一段时间后，输出“Hello, World!”：

public class HelloWorldTask : ScheduledTask
{
    public override async Task ExecuteAsync()
    {
        Console.WriteLine("Hello, World!");
    }
}

在Main方法中创建HelloWorldTask，设定延迟10秒执行：

static async Task Main(string[] args)
{
    var task = new HelloWorldTask() { Delay = TimeSpan.FromSeconds(10) };

    var scheduler = new TimeWheelScheduler(TimeSpan.FromSeconds(1));
    scheduler.AddTask(task);
    await scheduler.StartAsync();

    Console.ReadLine();
}

在输出中可以看到，HelloWorldTask在10秒后被执行：

Hello, World!