如何解析Kafka中的时间轮问题
这期内容当中小编将会给大家带来有关如何解析Kafka中的时间轮问题，文章内容丰富且以专业的角度为大家分析和叙述，阅读完这篇文章希望大家可以有所收获。
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写在前面
kafka是一个分布式消息中间件，其高可用高吞吐的特点是大数据领域首选的消息中间件，Kafka是分布式消息队列的顺序读写文件分段组织串联起来思想的鼻祖，包括RocketMq这些消息队列都是借鉴了Kafka早期的架构和设计思路改造而来，所以在架构设计层面，Kafka有非常多值得借鉴的地方。PS：执行流程和代码来自Kafka0.10.2版本。
引子：
从2个面试题说起，第1个问题，如果一台机器上有10w个定时任务，如何做到高效触发？
具体场景是：
有一个APP实时消息通道系统，对每个用户会维护一个APP到服务器的TCP连接，用来实时收发消息，对这个TCP连接，有这样一个需求：“如果连续30s没有请求包（例如登录，消息，keepalive包），服务端就要将这个用户的状态置为离线”。
其中，单机TCP同时在线量约在10w级别，keepalive请求包较分散大概30s一次，吞吐量约在3000qps。
怎么做？
常用方案使用time定时任务，每秒扫描一次所有连接的集合Map
另一种方案，使用环形队列法：
（图1）
三个重要的数据结构：
1）30s超时，就创建一个index从0到30的环形队列（本质是个数组）
2）环上每一个slot是一个Set
3）同时还有一个Map
这样当有某用户uid有请求包到达时：
1）从Map结构中，查找出这个uid存储在哪一个slot里
2）从这个slot的Set结构中，删除这个uid
3）将uid重新加入到新的slot中，具体是哪一个slot呢 => Current Index指针所指向的上一个slot，因为这个slot，会被timer在30s之后扫描到
4）更新Map，这个uid对应slot的index值
哪些元素会被超时掉呢？
Current Index每秒种移动一个slot，这个slot对应的Set
所以，当没有超时时，Current Index扫到的每一个slot的Set中应该都没有元素。
两种方案对比：
方案一每次都要轮询所有数据，而方案二使用环形队列只需要轮询这一刻需要过期的数据，如果没有数据过期则没有数据要处理，并且是批量超时，并且由于是环形结构更加节约空间，这很适合高性能场景。
第二个问题：在开发过程中有延迟一定时间的任务要执行，怎么做？
如果不重复造轮子的话，我们的选择当然是延迟队列或者Timer。
延迟队列和在Timer中增 加延时任务采用数组表示的最小堆的数据结构实现，每次放入新元素和移除队首元素时间复杂度为O(nlog(n))。
时间轮
方案二所采用的环形队列，就是时间轮的底层数据结构，它能够让需要处理的数据（任务的抽象）集中，在Kafka中存在大量的延迟操作，比如延迟生产、延迟拉取以及延迟删除等。Kafka并没有使用JDK自带的Timer或者DelayQueue来实现延迟的功能，而是基于时间轮自定义了一个用于实现延迟功能的定时器（SystemTimer）。JDK的Timer和DelayQueue插入和删除操作的平均时间复杂度为O(nlog(n))，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(1)。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。
时间轮的数据结构
参考下图，Kafka中的时间轮（TimingWheel）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。在Kafka源码中对这个TimeTaskList是用一个名称为buckets的数组表示的，所以后面介绍中可能TimerTaskList也会被称为bucket。
（图2：图片来源于《Kafka解惑之时间轮（TimingWheel）》）
针对上图的几个名词简单解释下：
tickMs：时间轮由多个时间格组成，每个时间格就是tickMs，它代表当前时间轮的基本时间跨度。
wheelSize：代表每一层时间轮的格数
interval：当前时间轮的总体时间跨度，interval=tickMs × wheelSize
startMs：构造当层时间轮时候的当前时间，第一层的时间轮的startMs是TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(nanoseconds()),上层时间轮的startMs为下层时间轮的currentTime。
currentTime：表示时间轮当前所处的时间，currentTime是tickMs的整数倍（通过currentTime=startMs - (startMs % tickMs来保正currentTime一定是tickMs的整数倍），这个运算类比钟表中分钟里65秒分钟指针指向的还是1分钟）。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的所有任务。
时间轮中的任务存放
若时间轮的tickMs=1ms，wheelSize=20，那么可以计算得出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的任务插入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所对应的TimeTaskList中的任务做相应的到期操作。此时若又有一个定时为8ms的任务插入进来，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的任务插入进来怎么办？新来的TimerTaskEntry会复用原来的TimerTaskList，所以它会插入到原本已经到期的时间格1中。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。
时间轮的升降级
如果此时有个定时为350ms的任务该如何处理？直接扩充wheelSize的大小么？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，而且效率也会拉低。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
（图3：图片来源于《Kafka解惑之时间轮（TimingWheel）》）
参考上图，复用之前的案例，第一层的时间轮tickMs=1ms, wheelSize=20, interval=20ms。第二层的时间轮的tickMs为第一层时间轮的interval，即为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。
刚才提到的350ms的任务，不会插入到第一层时间轮，会插入到interval=20*20的第二层时间轮中，具体插入到时间轮的哪个bucket呢？先用350/tickMs(20)=virtualId(17)，然后virtualId(17) %wheelSize (20) = 17，所以350会放在第17个bucket。如果此时有一个450ms后执行的任务，那么会放在第三层时间轮中，按照刚才的计算公式，会放在第0个bucket。第0个bucket里会包含
[400,800)ms的任务。随着时间流逝，当时间过去了400ms，那么450ms后就要执行的任务还剩下50ms的时间才能执行，此时有一个时间轮降级的操作，将50ms任务重新提交到层级时间轮中，那么此时50ms的任务根据公式会放入第二个时间轮的第2个bucket中，此bucket的时间范围为[40,60)ms，然后再经过40ms，这个50ms的任务又会被监控到，此时距离任务执行还有10ms，同样将10ms的任务提交到层级时间轮，此时会加入到第一层时间轮的第10个bucket，所以再经过10ms后，此任务到期，最终执行。
整个时间轮的升级降级操作是不是很类似于我们的时钟？ 第一层时间轮tickMs=1s, wheelSize=60，interval=1min，此为秒钟；第二层tickMs=1min，wheelSize=60，interval=1hour，此为分钟；第三层tickMs=1hour，wheelSize为12，interval为12hours，此为时钟。而钟表的指针就对应程序中的currentTime，这个后面分析代码时候会讲到（对这个的理解也是时间轮理解的重点和难点）。
任务添加和驱动时间轮滚动核心流程图
（图4）
重点代码介绍
这是往SystenTimer中添加一个任务
//在Systemtimer中添加一个任务，任务被包装为一个TimerTaskEntry
private def addTimerTaskEntry(timerTaskEntry: TimerTaskEntry): Unit = {
//先判断是否可以添加进时间轮中，如果不可以添加进去代表任务已经过期或者任务被取消，注意这里
的timingWheel持有上一层时间轮的引用，所以可能存在递归调用
if (!timingWheel.add(timerTaskEntry)) { // Already expired or cancelled
if (!timerTaskEntry.cancelled) //过期任务直接线程池异步执行掉
taskExecutor.submit(timerTaskEntry.timerTask)
}
}timingWheel添加任务，递归添加直到添加该任务进合适的时间轮的bucket中
def add(timerTaskEntry: TimerTaskEntry): Boolean = {
val expiration = timerTaskEntry.expirationMs //任务取消
if (timerTaskEntry.cancelled) { // Cancelled
false
} else if (expiration < currentTime + tickMs) { // 任务过期后会被执行
false
} else if (expiration < currentTime + interval) {//任务过期时间比当前时间轮时间加周期小说明任务
过期时间在本时间轮周期内
val virtualId = expiration / tickMs //找到任务对应本时间轮的bucket
val bucket = buckets((virtualId % wheelSize.toLong).toInt)
bucket.add(timerTaskEntry) // Set the bucket expiration time
//只有本bucket内的任务都过期后才会bucket.setExpiration返回true此时将bucket放入延迟队列
if (bucket.setExpiration(virtualId * tickMs)) {
//bucket是一个TimerTaskList，它实现了java.util.concurrent.Delayed接口，里面是一个多任务组
成的链表，图2有说明
queue.offer(bucket)
} true
} else { // Out of the interval. Put it into the parent timer
//任务的过期时间不在本时间轮周期内说明需要升级时间轮，如果不存在则构造上一层时间轮，继续用
上一层时间轮添加任务
if (overflowWheel == null) addOverflowWheel()
overflowWheel.add(timerTaskEntry)
}
}在本层级时间轮里添加上一层时间轮里的过程，注意的是在下一层时间轮的interval为上一层时间轮的tickMs
private[this] def addOverflowWheel(): Unit = {
synchronized { if (overflowWheel == null) {
overflowWheel = new TimingWheel(
tickMs = interval,
wheelSize = wheelSize,
startMs = currentTime,
taskCounter = taskCounter,
queue
)
}
}
}驱动时间轮滚动过程：
注意这里会存在一个递归，一直驱动时间轮的指针滚动直到时间不足于驱动上层的时间轮滚动。
def advanceClock(timeMs: Long): Unit = {
if (timeMs >= currentTime + tickMs) {
//把当前时间打平为时间轮tickMs的整数倍
currentTime = timeMs - (timeMs % tickMs)
// Try to advance the clock of the overflow wheel if present
//驱动上层时间轮，这里的传给上层的currentTime时间是本层时间轮打平过的，但是在上层时间轮还是会继续打平
if (overflowWheel != null) overflowWheel.advanceClock(currentTime)
}
}驱动源：
//循环bucket里面的任务列表，一个个重新添加进时间轮，对符合条件的时间轮进行升降级或者执行任务
private[this] val reinsert = (timerTaskEntry: TimerTaskEntry) => addTimerTaskEntry(timerTaskEntry)
/*
* Advances the clock if there is an expired bucket. If there isn't any expired bucket when called,
* waits up to timeoutMs before giving up.
*/
def advanceClock(timeoutMs: Long): Boolean = {
var bucket = delayQueue.poll(timeoutMs, TimeUnit.MILLISECONDS)
if (bucket != null) {
writeLock.lock() try { while (bucket != null) {
//驱动时间轮
timingWheel.advanceClock(bucket.getExpiration())
//循环buckek也就是任务列表，任务列表一个个继续添加进时间轮以此来升级或者降级时间轮，
把过期任务找出来执行
bucket.flush(reinsert)
//循环
//这里就是从延迟队列取出bucket，bucket是有延迟时间的，取出代表该bucket过期，我们通过
bucket能取到bucket包含的任务列表
bucket = delayQueue.poll()
}
} finally {
writeLock.unlock()
} true
} else { false
}
}kafka的延迟队列使用时间轮实现，能够支持大量任务的高效触发，但是在kafka延迟队列实现方案里还是看到了delayQueue的影子，使用delayQueue是对时间轮里面的bucket放入延迟队列，以此来推动时间轮滚动，但是基于将插入和删除操作则放入时间轮中，将这些操作的时间复杂度都降为O(1)，提升效率。Kafka对性能的极致追求让它把最合适的组件放在最适合的位置。
上述就是小编为大家分享的如何解析Kafka中的时间轮问题了，如果刚好有类似的疑惑，不妨参照上述分析进行理解。如果想知道更多相关知识，欢迎关注创新互联行业资讯频道。
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