Kafka——时间轮

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-10-14 23:58 15阅读 0赞

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*  时间轮

## 时间轮 ##

Kafka中存在大量的延时操作，比如延时生产、延时拉取和延时删除等。Kafka并没有使用JDK自带的Timer或DelayQueue来实现延时的功能，而是基于时间轮的概念自定义实现了一个用于延时功能的定时器(SystemTimer)。JDK中Timer和DelayQueue的插入和删除操作的平  
均时间复杂度为O(nlogn)并不能满足Kafka的高性能要求，而基于时间轮可以将插入和删除操作的时间复杂度都降为O(I)。时间轮的应用并非Kafka独有，其应用场景还有很多，在Netty、Akka、Quartz、ZooKeeper等组件中都存在时间轮的踪影。

如下图所示，Kafka中的时间轮(Timing Wheel)是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)。TimerTaskList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)。

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)。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 X wheelSize计算得出。时间轮还有一个表盘指针(currentTime),用来表示时间轮当前所处的时间，currentTime是tickMs的整数倍。currentTime可以将整个时间轮划分为到期部分和未到期部分，currentTime当前指向的时间格也属于到期部分，表示刚好到期，需要处理此时间格所对应的TimerTaskList中的所有任务。

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若时间轮的tickMs为lms且wheelSize等于20，那么可以计算得出总体时间跨度interval为20ms。初始情况下表盘指针currentTime指向时间格0，此时有一个定时为2ms的任务插进来会存放到时间格为2的TimerTaskList中。随着时间的不断推移，指针currentTime不断向前推进，过了2ms之后，当到达时间格2时，就需要将时间格2对应的TimeTaskList中的任务进行相应的到期操作。此时若又有一个定时为8s的任务插进来，则会存放到时间格10中，  
currentTime再过8ms后会指向时间格10。如果同时有一个定时为19ms的任务插进来怎么办？新来的Timer TaskEntry会复用原来的Timer TaskList,所以它会插入原本已经到期的时间格l。总之，整个时间轮的总体跨度是不变的，随着指针currentTime的不断推进，当前时间轮所能处理的时间段也在不断后移，总体时间范围在currentTime和currentTime±interval之间。

如果此时有一个定时为350ms的任务该如何处理？直接扩充wheelSize的大小？Kafka中不乏几万甚至几十万毫秒的定时任务，这个wheelSize的扩充没有底线，就算将所有的定时任务的到期时间都设定一个上限，比如100万毫秒，那么这个wheelSize为100万毫秒的时间轮不仅占用很大的内存空间，而且也会拉低效率。Kafka为此引入了层级时间轮的概念，当任务的到期时间超过了当前时间轮所表示的时间范围时，就会尝试添加到上层时间轮中。

如图所示，复用之前的案例，第一层的时间轮tickMs=lms、wheelSize=-20、interval-=20ms。  
第二层的时间轮的tickMs为第一层时间轮的interval,即20ms。每一层时间轮的wheelSize是固定的，都是20，那么第二层的时间轮的总体时间跨度interval为400ms。以此类推，这个400ms也是第三层的tickMs的大小，第三层的时间轮的总体时间跨度为8000ms。

对于之前所说的350s的定时任务，显然第一层时间轮不能满足条件，所以就升级到第二层时间轮中，最终被插入第二层时间轮中时间格17所对应的TimerTaskList。如果此时又有一个定时为450s的任务，那么显然第二层时间轮也无法满足条件，所以又升级到第三层时间轮中，最终被插入第三层时间轮中时间格1的Timer TaskList。注意到在到期时间为\[400ms,800ms)区间内的多个任务（比如446ms、455ms和473ms的定时任务）都会被放入第三层时间轮的时间格1,时间格1对应的TimerTaskList的超时时间为400ms。随着时间的流逝，当此TimerTaskList到期之时，原本定时为450ms的任务还剩下50ms的时间，还不能执行这个任务的到期操作。这里就有一个时间轮降级的操作，会将这个剩余时间为50s的定时任务重新提交到层级时间  
轮中，此时第一层时间轮的总体时间跨度不够，而第二层足够，所以该任务被放到第二层时间轮到期时间为\[40ms,60ms)的时间格中。再经历40ms之后，此时这个任务又被“察觉”，不过还剩余10s,还是不能立即执行到期操作。所以还要再有一次时间轮的降级，此任务被添加到  
第一层时间轮到期时间为\[10ms,11ms)的时间格中，之后再经历10ms后，此任务真正到期，最终执行相应的到期操作。

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设计源于生活。我们常见的钟表就是一种具有三层结构的时间轮，第一层时间轮tickMs=-lms、wheelSize=-60、interval=-lmin,此为秒钟；第二层tickMs-=lmin、wheelSize-=60、interval=-lhour,此为分钟；第三层tickMs=-lhour、wheelSize=l2、interval=-l2 hours,此为时钟。在Kafka中，第一层时间轮的参数同上面的案例一样：tickMs=-lms、wheelSize=-20、interval-=20ms,各个层级的wheelSize也固定为20，所以各个层级的tickMs和interval也可以相应地推算出来。Kafka在具体实现时间轮Timing Wheel时还有一些小细节：

*  Timing Wheel在创建的时候以当前系统时间为第一层时间轮的起始时间(startMs)这里的当前系统时间并没有简单地调用System.currentTimeMillis(0,而是调用了Time.SYSTEM.hiResClockMs,这是因为currentTimeMillis()方法的时间精度依赖于操作系统的具体实现，有些操作系统下并不能达到毫秒级的精度，而Time.SYSTEM.hiResClockMs实质上采用了System.nanoTime(0/1000000来将精度调整到毫秒级。
 *  Timing Wheel中的每个双向环形链表TimerTaskList都会有一个哨兵节点(sentinel),引入哨兵节点可以简化边界条件。哨兵节点也称为哑元节点(dummy node),它是一个附加的链表节点，该节点作为第一个节点，它的值域中并不存储任何东西，只是为了操作的方便而引入的。如果一个链表有哨兵节点，那么线性表的第一个元素应该是链表的第二个节点。
 *  除了第一层时间轮，其余高层时间轮的起始时间(startMs)都设置为创建此层时间轮时前面第一轮的currentTime。每一层的currentTime都必须是tickMs的整数倍，如果不满足则会将currentTime修剪为tickMs的整数倍，以此与时间轮中的时间格的到期时间范围对应起来。修剪方法为：currentTime=startMs-(startMs%tickMs))。currentTime会随着时间推移而推进，但不会改变为tickMs的整数倍的既定事实。若某一时刻的时间为timeMs,那么此时时间轮的currentTime=timeMs-(timeMs%tickMs),时间每推进一次，每个层级的时间轮的currentTime都会依据此公式执行推进。
 *  Kafka中的定时器只需持有TimingWheel的第一层时间轮的引用，并不会直接持有其他高层的时间轮，但每一层时间轮都会有一个引用(overflowWheel)指向更高一层的应用，以此层级调用可以实现定时器间接持有各个层级时间轮的引用。

Kafka中的定时器借了DK中的DelayQueue来协助推进时间轮。具体做法是对于每个使用到的TimerTaskList都加入DelayQueue,“每个用到的TimerTaskList’”特指非哨兵节点的定时任务项TimerTaskEntry对应的TimerTaskList。DelayQueue会根据Timer TaskList对应的超时时间  
expiration来排序，最短expiration的TimerTaskList会被排在DelayQueue的队头。Kafka中会有一个线程来获取DelayQueue中到期的任务列表，有意思的是这个线程所对应的名称叫作“ExpiredOperationReaper’”,可以直译为“过期操作收割机”，和5.4.2节中的“SkimpyOffsetMap’的取名有异曲同工之妙。当“收割机”线程获取DelayQueue中超时的任务列表TimerTaskList之后，既可以根据TimerTaskList的expiration来推进时间轮的时间，也可以就获取的TimerTaskList执行相应的操作，对里面的TimerTaskEntry该执行过期操作的就执行过期操作，该降级时间轮的就降级时间轮。

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