一张图理解Kafka时间轮(TimingWheel),看不懂算我输!

本文是【字节可视化系列】Kafka专栏文章。

经过本文你将了解到时间轮算法思想，层级时间轮，时间轮的升级和降级。

时间轮，是一种实现延迟功能（定时器）的巧妙算法，在Netty，Zookeeper，Kafka等各类框架中，甚至Linux内核中都有用到。

本文将参考Kafka的时间轮做为例子讲解。

0 设计源于生活

开始以前给你们看块宝珀中华年历表。

图片来自宝珀官网

这款手表的表盘融合了中华历法中各类博大精深的计时元素。

上方位置的小表盘显示时辰数字及字符,24小时一周期;年份视窗显示当年所属生肖,12年一周期;

左边位置显示农历月,12个月一周期; 农历日, 30天一周期;

右边位置显示五行元素和十天干,10年一周期;

下方的表盘显示月相盈亏。

至于价格.....这个话题略过。

而时间轮，其设计正是来源于生活中的时钟。

1 时间轮

如图就是一个简单的时间轮：

图中大圆的圆心位置表示的是当前的时间，随着时间推移, 圆心处的时间也会不断跳动。

下面咱们对着这个图，来讲说Kafka的时间轮TimingWheel。

Kafka时间轮的底层就是一个环形数组，而数组中每一个元素都存放一个双向链表TimerTaskList，链表中封装了不少延时任务。

Kafka中一个时间轮TimingWheel是由20个时间格组成，wheelSize = 20；每格的时间跨度是1ms，tickMs = 1ms。参照Kafka，上图中也用了20个灰边小圆表示时间格，为了动画演示能够看得清楚，咱们这里每一个小圆的时间跨度是1s。

因此如今整个时间轮的时间跨度就是 tickMs * wheelSize ，也就是 20s。从0s到19s，咱们都分别有一个灰边小圆来承载。

Kafka的时间轮还有一个表盘指针 currentTime，表示时间轮当前所处的时间。也就是图中用黑色粗线表示的圆，随着时间推移, 这个指针也会不断前进;

添加定时任务

有了时间轮，如今能够往里面添加定时任务了。咱们用一个粉红色的小圆来表示一个定时任务。

这里先讲一下设定，每个定时任务都有延时时间 delayTime，和过时时间 ExpiredTime。

好比当前时间是10s，咱们添加了个延时时间为2s的任务，那么这个任务的过时时间就是12s，也就是当前时间10s再走两秒，变成了12s的时候，就到了触发这个定时任务的时间。

而时间轮上表明时间格的灰边小圆上显示的数字，能够理解为任务的过时时间。

讲清楚这些设定后，咱们就开始添加定时任务吧。

初始的时候, 时间轮的指针定格在0。此时添加一个超时时间为2s的任务, 那么这个任务将会插入到第二个时间格中。

当时间轮的指针到达第二个时间格时, 会处理该时间格上对应的任务。在动画上就是让红色的小圆消失!

若是这个时候又插入一个延时时间为8s的任务进来, 这个任务的过时时间就是在当前时间2s的基础上加8s, 也就是10s, 那么这个任务将会插入到过时时间为10s的时间格中。

2 "动态"时间轮

到目前为止，一切都很好理解。

那么若是在当前时间是2s的时候, 插入一个延时时间为19s的任务时, 这个任务的过时时间就是在当前时间2s的基础上加19s, 也就是21s。

请看下图，当前的时间轮是没有过时时间为21s的时间格。这个任务将会插入到过时时间为1s的时间格中，这是怎么回事呢？

复用时间格

为了解答上面的问题，咱们先来点魔法， 让时间轮上的时间都动起来！

其实呢，当指针定格在2s的位置时, 时间格0s, 1s和2s就已是过时的时间格。

也就是说指针能够用来划分过时的时间格[0,2]和将来的时间格 [3,19]。而过时的时间格能够继续复用。好比过时的时间格0s就变成了20s, 存放过时时间为20s的任务。

理解了时间格的复用以后，再看回刚刚的例子，当前时间是2s时，添加延时时间为19s的任务，那么这个任务就会插入到过时时间为21s的时间格中。

3 时间轮升级

下面，新的问题来了，请坐好扶稳。

若是在当前时间是2s的时候, 插入一个延时时间为22s的任务, 这个任务的过时时间就是在2s的基础上加22s，也就是24s。

显然当前时间轮是没法找到过时时间格为24秒的时间格，由于当前过时时间最大的时间格才到21s。并且咱们也没办法像前面那样再复用时间格，由于除了过时时间为2s的时间格，其余的时间格都还没过时呢。当前时间轮没法承载这个定时任务, 那么应该怎么办呢?

固然咱们能够选择扩展时间轮上的时间格, 可是这样一来，时间轮就失去了意义。

是时候要升级时间轮了！

咱们先来理解下多层时间轮之间的联系。

4 层级时间轮

如图是一个两层的时间轮:

第二层时间轮也是由20个时间格组成, 每一个时间格的跨度是20s。

图中展现了每一个时间格对应的过时时间范围, 咱们能够清晰地看到, 第二层时间轮的第0个时间格的过时时间范围是 [0,19]。也就是说, 第二层时间轮的一个时间格就能够表示第一层时间轮的全部(20个)时间格;

为了进一步理清第一层时间轮和第二层时间轮的关系, 咱们拉着时间的小手, 一块儿观看下面的动图:

能够看到，第二层时间轮一样也有本身的指针, 每当第一层时间轮走完一个周期，第二层时间轮的指针就会推动一格。

添加定时任务

回到一开始的问题，在当前时间是2s的时候, 插入一个延时时间为22s的任务，该任务过时时间为24s。

当第一层时间轮容纳不下时，进入第二层时间轮，并插入到过时时间为[20,39]的时间格中。

咱们再来个例子，若是在当前时间是2s的时候, 插入一个延时时间为350s的任务, 这个任务的过时时间就是在2s的基础上加350s，也就是352s。

从图中能够看到，该任务插入到第二层时间轮过时时间为[340,359]s的时间格中，也就是第17格的位置。

5 "动态"层级时间轮

一般来讲, 第二层时间轮的第0个时间格是用来表示第一层时间轮的, 这一格是存放不了任务的, 由于超时时间0-20s的任务, 第一层时间轮就能够处理了。

可是! 事情每每没这么简单, 咱们时间轮上的时间格都是能够复用的! 那么这在第二层时间轮上又是怎么体现的呢?

下面是魔法时间， 咱们让时间轮上的过时时间都动起来！

从图中能够看到，当第一层时间轮的指针定格在1s时，超时时间0s的时间格就过时了。而这个时候，第二层时间轮第0个时间格的时间范围就从[0,19]分为了过时的[0],和未过时的[1,19]。而过时的[0]就会被新的过时时间[400]复用。

第二层时间轮第0个时间格的过时时间范围演变以下：

[0-19]

[400][1,19]

[400,401][2,19]

......

[400,419]

因此，若是在当前时间是2s的时候, 插入一个延时时间为399s的任务, 这个任务的过时时间就是在2s的基础上加399s，也就是401s。如图，这个任务仍是会插到第二层时间轮第0个时间格中去。

6 时间轮降级

仍是用回这个你们都已经耳熟能详的例子，在当前时间是2s的时候, 插入一个延时时间为22s的任务，该任务过时时间为24s。最后进入第二层时间轮，并插入到过时时间为[20,39]的时间格中。

当二层时间轮上的定时任务到期后，时间轮是怎么作的呢？

从图中能够看到，随着当前时间从2s继续往前推动，一直到20s的时候，总共通过了18s。此时第二层时间轮中，超时时间为[20-39s]的时间格上的任务到期。

本来超时时间为24s的任务会被取出来，从新加入时间轮。此时该定时任务的延时时间从本来的22s，到如今还剩下4s（22s-18s）。最后停留在第一层时间轮超时时间为24s的时间格，也就是第4个时间格。

随着当前时间继续推动，再通过4s后，该定时任务到期被执行。

从这里能够看出时间轮的巧妙之处，两层时间轮只用了40个数组元素，却能够承载[0-399s]的定时任务。而三层时间轮用60个数组元素，就能够承载[0-7999s]的定时任务！

7 时间轮的推动

从动画中能够注意到, 随着时间推动, 时间轮的指针循环往复地定格在每个时间格上, 每一次都要判断当前定格的时间格里是否是有任务存在;

其中有不少时间格都是没有任务的, 指针定格在这种空的时间格中, 就是一次"空推动";

好比说, 插入一个延时时间400s的任务, 指针就要执行399次"空推动", 这是一种浪费!

那么Kafka是怎么解决这个问题的呢？这就要从延迟队列DelayQueue开始讲起了！

时间轮搭配延迟队列DelayQueue，会发生什么化学反应呢？请关注公众号【字节武装】后续更新。

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