ゲームビジネスにおけるタイマーコンポーネントの重要性とその実装方法

タイマーは比較的一般的なコンポーネントです。サーバーに関する限り、フレームワーク レベルではタイマーを使用してセッションをタイムアウトする必要があり、アプリケーション レベルではタイマーを使用して時間関連のビジネス ロジックを処理する必要があります。多数のタイマーを必要とするゲームなどのビジネスには、シンプルで効率的なタイマー コンポーネントが不可欠です。

タイマー コンポーネントの実装は 2 つの部分に分けることができます:

最初の部分は比較的単純で、さまざまな実装方法がありますが、基本的には言語に関連するものであるため、この記事の焦点では​​ありません。いわゆる具体的な概念とは、ユーザーがどのように使用するかを指すようです。

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2 番目の部分では、実際には最初の部分よりも多くのコードが必要になり、実装方法は非常に限られています。

これらのモデルの目的は、データ構造を研究した卒業生を見つけて書き留めてもらうことで、バグが発生しにくくなるということです。 add の時間計算量は n(lgn) であり、timeout の時間計算量も n(lgn) です。

ただし、私たちのビジネス システムが、短期間にタイムアウトになる多数のタイマーを登録するというような要求に直面しているとします。実際、最小ヒープの実装は少し恥ずかしいものです。

以下の本文に入り、Xiaoxiao はアプリケーション層に Linux カーネル スタイルのタイマーを実装する方法を紹介します。言語は例として C# です。

パフォーマンスを比較するには、まず最小ヒープに基づいてタイマー マネージャーを実装する必要があります。最小ヒープのインターフェイスは次のとおりです。Linux アプリケーション タイマー は最も基本的なものですが、具体的な実装はありません。データ構造。

リーリー

リーリー

リーリー

その後は、Linux カーネル スタイルのタイマーのマネージャー実装です。まず設計の前提があります:

システム全体の時間精度の下限を定義するには、ティックを使用する必要があります。たとえば、ゲームの場合、10 ミリ秒未満の精度は気にする必要がないため、ティック幅を 10 ミリ秒に設定できます。つまり、最初にハングアップした WaitFor(8ms) と、後でハングアップした WaitFor(5ms) が先にタイムアウトになる可能性があります。 1 ティックは 10 ミリ秒であり、このような 32 ビット ティックが表現できる時間粒度は、組み込み Linux トレーニングのほぼ 500 日分に相当します。これは、再起動を行わないサーバー グループの時間よりもはるかに長くなります。

虽然这些定时器实现，就是由于这个抉择，在面对之前提到的问题时，方才具有了更佳的性能表现。每次按照tick领到timeout数组，直接dispatch，领到这个数组的时间是一个常数，而最小堆方式领到这个数组须要的时间是m*lgn。

因为空间有限，我们不可能做到每位即将timeout的tick都有对应的数组。考虑到虽然80%以上的timer的时间都不会超过2.55s，我们只针对前256个tick做这些优化举措即可。

那怎么处理注册的256tick以后的timer？我们可以把时间还比较长的timer置于更粗细度的数组中，等到还剩下的tick数大于256以后再把她们取下来重新整理一下数组能够搞定。

假如我们保证每一次tick都严格的做到：

保证这两点，就须要每位tick都对所有数组做一次整理。这样就得不偿失了，所以这儿有个trade-off，就是我通过一个表针(index)，来标记我当前处理的position，每过256tick是一个cycle，才进行一次整理。而整理的成本就通过分摊在256tick中，增加了实际上的单位时间成本。

概念比较具象，接出来贴一部份代码。

常量定义：

public const int TimeNearShift = 8;
public const int TimeNearNum = 1 << TimeNearShift;// 256
public const int TimeNearMask = TimeNearNum - 1;// 0x000000ff
public const int TimeLevelShift = 6;
public const int TimeLevelNum = 1 << TimeLevelShift;// 64
public const int TimeLevelMask = TimeLevelNum - 1;// 00 00 00 (0011 1111)

基础数据结构：

using TimerNodes = LinkedList;
private readonly TimerNodes[TimeNearNum] nearTimerNodes;
private readonly TimerNodes[4][TimeLevelNum] levelTimerNodes;

相当于是256+4*64个timer数组。

tick有32位，每一个tick只会timeout掉expire与index相同的timer。

循环不变式保证near表具有这样几个性质：

level表有4个，分别对应9到14bit，15到20bit，21到26bit，27到32bit。

因为原理都类似，我这儿拿9到14bit的表来说下循环不变式：

有了数据结构和循环不变式，前面的代码也就容易理解了。主要列一下AddTimer的逻辑和Shift逻辑。

private void AddTimerNode(TimerNode node)
{
var expire = node.ExpireTick;
if (expire < index)
{
throw new Exception();
}
// expire 与 index 的高24bit相同
if ((expire | TimeNearMask) == (index | TimeNearMask))
{
nearTimerNodes[expire & TimeNearMask].AddLast(node);
}
else
{
var shift = TimeNearShift;
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
// expire 与 index 的高bit相同
var lowerMask = (1 <> shift)&TimeLevelMask].AddLast(node);
break;
}
shift += TimeLevelShift;
}
}
}

private void TimerShift()
{
// TODO index回绕到0的情况暂时不考虑
index++;
var ct = index;// mask0 : 8bit
// mask1 : 14bit
// mask2 : 20bit
// mask3 : 26bit
// mask4 : 32bit
var partialIndex = ct & TimeNearMask;
if (partialIndex != 0)
{
return;
}
ct >>= TimeNearShift;
for (int i = 0; i >= TimeLevelShift;
continue;
}
ReAddAll(levelTimerNodes[i], partialIndex);
break;
}
}

以上代码用c/c++重画后尝尝鲜味更佳。

实现大约就是这种了，接出来我们测一下究竟linux内核风格定时器比最小堆实现的定时器快了多少。

建立的测试用例和测试方式：

static IEnumerable BuildTestCases(uint first, uint second)
{
var rand = new Random();
for (int i = 0; i < first; i++)
{
yield return new TestCase()
{
Tick = (uint)rand.Next(256),
};
}
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
var begin = 1U << (8 + 6*i);
var end = 1U << (14 + 6*i);
for (int j = 0; j < rand.Next((int)second * (4 - i)); j++)
{
yield return new TestCase()
{
Tick = (uint)rand.Next((int)(begin+end)/2),
};
}
}
}

{
var maxTick = cases.Max(c => c.Tick);
var results = new HashSet();
foreach (var c in cases)
{
TestCase c1 = c;
mgr.AddTimer(c.Tick, (timer, data) =>
{
if (mgr.FixedTicks == c1.Tick)
results.Add((uint) data[0]);
}, c.Id);
}
var begin = DateTime.Now;
for (int i = 0; i < maxTick+1; i++)
{
mgr.FixedTick();
}
var end = DateTime.Now;
}

建立测试用例时的参数first指大于等于256tick的timer数目，second是指小于256tick的timer数目。

first固定为一千万的测试结果：

加速比的波動不是非常顯著，而且假如second繼續降低，linux內核定時器的加速比實際上還是會因為shift頻度的提高而逐漸增加。

second固定為1000的情況：

跟第一次測試的推論差不多，256tick以內的timer佔比越高，相比最小堆定時器的優勢越大。

最終結論，linux內核定時器比起最小堆定時器的優勢還是很顯著的，大部份情況下都有2倍以上的性能表現，強烈建議採用。

這次的程式碼放到github上linux 應用計時器，並且因為訂閱號文章裡沒辦法放連結linux軟體，只要後台給小說君發訊息「計時器」就會手動回覆github連結。這個專案裡不僅有一個工業級的linux風格定時器實現代碼，還有小說君實現的一套基於這個定時器的Unity3D風格的Coroutine。

--核心技術英文網-建立全省最權威的核心技術交流分享高峰會

原文位址：了解Linux核心風格的定時器實作-作業系統-核心技術英文網-建立全省最權威的核心技術交流分享高峰會（版權歸原作者所有，侵刪）

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