Golang定时器（Timer和Ticker），这篇文章就够了

定时器是什么

Golang 原生 time 包下可以用来执行一些定时任务或者是周期性的任务的一个工具

本文基于 Go 1.14，如果以下文章有哪里不对或者问题的地方，欢迎讨论学习

定时器的日常使用

Timer 相关

func NewTimer(d Duration) *Timer
func (t *Timer) Reset(d Duration) bool
func (t *Timer) Stop() bool
func After(d Duration) <-chan Time
func AfterFunc(d Duration, f func()) *Timer
func main() {
timer := time.NewTimer(3 * time.Second)
select {
case <-timer.C:
fmt.Println("3秒执行任务")
}
timer.Stop() // 这里来提高 timer 的回收
}
func main() {
tChannel := time.After(3 * time.Second) // 其内部其实是生成了一个 timer
select {
case <-tChannel:
fmt.Println("3秒执行任务")
}
}
func main() {
timer := time.NewTimer(3 * time.Second)
for {
timer.Reset(4 * time.Second) // 这样来复用 timer 和修改执行时间
select {
case <-timer.C:
fmt.Println("每隔4秒执行任务")
}
}
}

注意事项：

错误使用：time.After 这里会不断生成 timer，虽然最终会回收，但是会造成无意义的cpu资源消耗

func main() {
for {
select {
case <-time.After(3 * time.Second):
fmt.Println("每隔3秒执行一次")
}
}
}

正确使用：

func main() {
timer := time.NewTimer(3 * time.Second)
for {
timer.Reset(3 * time.Second) // 这里复用了 timer
select {
case <-timer.C:
fmt.Println("每隔3秒执行一次")
}
}
}

Ticker 相关

func NewTicker(d Duration) *Ticker
func Tick(d Duration) <-chan Time
func (t *Ticker) Stop()
func main() {
ticker := time.NewTicker(3 * time.Second)
for range ticker.C {
fmt.Print("每隔3秒执行任务")
}
ticker.Stop()
}

错误使用：

func main() {
for {
select {
case <-time.Tick(3 * time.Second): // 这里会不断生成 ticker，而且 ticker 会进行重新调度，造成泄漏（后面源码会有解析）
fmt.Println("每隔3秒执行一次")
}
}
}

定时器源码分析

先给出 timer 状态轮转图，可以边看文章、图片、源码来进行学习（公众号回复「timer状态图」 获取图片）

我先给出涉及到过程的相关结构体（ ！！！要注意 Timer 和 timer 的不同 ）

type Timer struct {
C <-chan Time
r runtimeTimer
}
​
// Ticker 的结构与 Timer 一致
type Ticker struct {
C <-chan Time // 这里就是返回的 channel
r runtimeTimer
}
​
// If this struct changes,
// adjust ../time/sleep.go:/runtimeTimer.
// 这里是与 runtimeTimer 对应的
type timer struct {
pp puintptr // 对应的当前 P 的指针
when int64 // 需要执行的时间
period int64 // 周期，Ticker 会使用
f func(interface{}, uintptr) // 给 channel 推送信息的方式
arg interface{} // 与 f 相关的第一个参数，可以看下面 Ticker 的例子
seq uintptr // 与 f 相关的第二个参数（后续我们可以看到）
nextwhen int64 // 下次执行的时候
status uint32 // 当前状态
}
​
​
// P 结构体中的相关 timer 的字段
type p struct {
...
timersLock mutex // 一个 P 中保证 timers 同步锁
​
timers []*timer // timers 是四叉小顶堆（后续代码会有说明）
​
numTimers uint32 // timer 的数量
​
adjustTimers uint32 // 需要调整的 timer 的数量
​
deletedTimers uint32 // 需要删除的 timer 的数量
...
}

我们以 Ticker 为切入点

func NewTicker(d Duration) *Ticker {
if d <= 0 {
panic(errors.New("non-positive interval for NewTicker"))
}
c := make(chan Time, 1)
t := &Ticker{
C: c,
r: runtimeTimer{
when: when(d),//当前时间+d的时间，可看下面
period: int64(d),//执行周期
f: sendTime,
arg: c, // 就是 f 中第一个参数
},
}
startTimer(&t.r)
return t
}
​
func when(d Duration) int64 {
if d <= 0 {
return runtimeNano()
}
t := runtimeNano() + int64(d) //当前时间加上需要等待的时间
if t <0 {
t = 1<<63 - 1 // math.MaxInt64
}
return t
}
​
func sendTime(c interface{}, seq uintptr) {
select {
case c.(chan Time) <- Now():
default:
}
}

从 NewTicker 中我们可以看到，开始执行是在 startTimer()，我们进去看下

addtimer

// startTimer adds t to the timer heap.
// 这里已经说明了 timers 是一种堆的数据结构，由于是定时器，
// 最近的最先执行，所以猜测以 when 来判断的小顶堆
func startTimer(t *timer) {
addtimer(t)
}
​
func addtimer(t *timer) {
if t.when <0 {
t.when = maxWhen //maxWhen 是 1<<63 - 1
}
if t.status != timerNoStatus {
throw("addtimer called with initialized timer")
}
t.status = timerWaiting
​
when := t.when
​
pp := getg().m.p.ptr()
lock(&pp.timersLock)
cleantimers(pp) // 根据 timer 删除和修改状态进行操作，可以看下面源码相关
doaddtimer(pp, t)// 添加 timer 的到 timers 堆
unlock(&pp.timersLock)
​
wakeNetPoller(when)
}
// 清理 timers 的源码部分
func cleantimers(pp *p) {
for {
if len(pp.timers) == 0 {
return
}
t := pp.timers[0]// 从 0 开始，即最小的堆顶开始
if t.pp.ptr() != pp {
throw("cleantimers: bad p")
}
switch s := atomic.Load(&t.status); s {
case timerDeleted:
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {// status 变更为 timerRemoving
continue
}
dodeltimer0(pp) // 这里是删除 timer 的关键部分，删除堆顶的部分并调整
if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) { // stauts 变更为 timerRemoved
badTimer() // 这里就是 throw 一个异常
}
atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -1)
case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater:
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) { // stauts 变更为 timerMoving
continue
}
t.when = t.nextwhen // 将执行时间设置为其下次执行的时候
// -----删除堆顶位置，并按照其新的执行时间加入到对应的位置
dodeltimer0(pp)
doaddtimer(pp, t) // 添加 timer 的关键部分
// ------------
if s == timerModifiedEarlier {
atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -1)
}
if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
badTimer()
}
default:
return
}
}
}
​
// timer 删除的源码部分
//（扩充：func dodeltimer(pp *p, i int) 意思就是删除指定所索引
// 的位置，然后恢复小顶堆的结构，可以看源码，就不解释了）
func dodeltimer0(pp *p) {
if t := pp.timers[0]; t.pp.ptr() != pp {
throw("dodeltimer0: wrong P")
} else {
t.pp = 0 // 这里将指针情况
}
// --- 将堆的最后一位 timer 放到堆顶，然后清空最后一位的空间，然后向下调整---
last := len(pp.timers) - 1
if last > 0 {
pp.timers[0] = pp.timers[last]
}
pp.timers[last] = nil
pp.timers = pp.timers[:last]
if last > 0 {
siftdownTimer(pp.timers, 0)//向下调整的核心部分
}
// ---------------------
updateTimer0When(pp) //更新当前 p 的最先执行 timer 的执行时间
atomic.Xadd(&pp.numTimers, -1)
}
​
func updateTimer0When(pp *p) {
if len(pp.timers) == 0 {
atomic.Store64(&pp.timer0When, 0)
} else {
atomic.Store64(&pp.timer0When, uint64(pp.timers[0].when))
}
}
​
// timer 增加的源码部分
func doaddtimer(pp *p, t *timer) {
...
if t.pp != 0 {
throw("doaddtimer: P already set in timer")
}
t.pp.set(pp)
// --- 将 timer 放置到堆的最后一位，然后向上调整 ---
i := len(pp.timers)
pp.timers = append(pp.timers, t)
siftupTimer(pp.timers, i)// 向上调整的核心部分
// ---------------------------
if t == pp.timers[0] {
atomic.Store64(&pp.timer0When, uint64(t.when))
}
atomic.Xadd(&pp.numTimers, 1)
}

当我们已知 timers 是小顶堆的数据结构（满足“当前位置的值小于等于父位置的值“即可，实现方式使用数组，由下面代码可以知道是四叉小顶堆，结构如下图）的情况后，接下来看堆向上或者向下调整的细节部分

// timers 堆的向上调整
func siftupTimer(t []*timer, i int) {
...
when := t[i].when
tmp := t[i]
for i > 0 {
p := (i - 1) / 4 // 由这里可以看出，堆的节点长度是4
if when >= t[p].when {
break
}
// --- 向上进行调整，即父节点下移，当前节点上移 ---
t[i] = t[p]
i = p
//向上进行调整
}
if tmp != t[i] {
t[i] = tmp
}
}
​
//timers 堆的向下调整
func siftdownTimer(t []*timer, i int) {
n := len(t)
if i >= n {
badTimer()
}
when := t[i].when
tmp := t[i]
for {
// --- 以下部分就是找到当前4个节点中最小的那个值和在数组的位置 -----
c := i*4 + 1 // 这里是子节点最左边的节点
c3 := c + 2 // 这里是子节点第三个节点
if c >= n {
break
}
w := t[c].when
if c+1 w = t[c+1].when
c++
}
if c3 w3 := t[c3].when
if c3+1 w3 = t[c3+1].when
c3++
}
if w3 w = w3
c = c3
}
}
//---------------------------------
if w >= when {
break
}
// --- 向下进行调整，即子节点上移，当前节点下移 ---
t[i] = t[c]
i = c
// ---------------
}
if tmp != t[i] {
t[i] = tmp
}
}

既然已经知道timer放到四叉小顶堆，那 timer 是怎么执行的呢？接下来就是定时器的核心部分入口 runtimer()

runtimer

// 这里执行的前提是当前 P 的 timesLock 已经锁了，所以不用担心并发问题
func runtimer(pp *p, now int64) int64 {
for {
t := pp.timers[0] //找到 timers 堆的堆顶，为最先执行的 timer
if t.pp.ptr() != pp {
throw("runtimer: bad p")
}
switch s := atomic.Load(&t.status); s {
case timerWaiting:
if t.when > now { //如果还没到时间，则返回调用的时间
return t.when
}
​
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRunning) {
continue
}
runOneTimer(pp, t, now)// 这里是执行timer的核心
return 0
​
case timerDeleted:
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {
continue
}
dodeltimer0(pp) //删除 timers 堆顶的 timer
if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) {
badTimer()
}
atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -1)
if len(pp.timers) == 0 {
return -1
}
​
case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater:
if !atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) {
continue
}
//删除堆顶的位置，调整 timer 到最新的时间，以及进行重新调整
t.when = t.nextwhen
dodeltimer0(pp)
doaddtimer(pp, t)
if s == timerModifiedEarlier {
atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -1)
}
if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
badTimer()
}
​
case timerModifying:
osyield()
case timerNoStatus, timerRemoved:
badTimer()
case timerRunning, timerRemoving, timerMoving:
badTimer()
default:
badTimer()
}
}
}

因此我们知道了执行的核心流程是 runOneTimer()

runOneTimer

// 由于是 runtimer 进行调用，因此也线程安全
func runOneTimer(pp *p, t *timer, now int64) {
...
f := t.f
arg := t.arg
seq := t.seq
​
if t.period > 0 { //如果有周期，则算出下次 timer 执行的时间，并加入到对应的位置（这里就是 Ticker 和 Timer 的区别）
delta := t.when - now
t.when += t.period * (1 + -delta/t.period)
siftdownTimer(pp.timers, 0)// 将四叉小顶堆向下调整
if !atomic.Cas(&t.status, timerRunning, timerWaiting) {
badTimer()
}
updateTimer0When(pp)//更新当前 P 的最先的 timer 的执行时间
} else {
// 从堆顶位置上删除 timer，并调整
dodeltimer0(pp)
if !atomic.Cas(&t.status, timerRunning, timerNoStatus) {
badTimer()
}
}
...
​
unlock(&pp.timersLock)
​
f(arg, seq) // 执行对应的 f，这里就是我们 Timer.C 来的地方
​
lock(&pp.timersLock)
​
...
}

从 runtimer 的调用，我们知道执行的入口是 checkTimers()，我们详细看下

checkTimers

我们可以看下图，由下图可知，是通过 Go 里面的调度中去寻找可执行的 timer

我们看下 checkTimers 做了什么

func checkTimers(pp *p, now int64) (rnow, pollUntil int64, ran bool) {
if atomic.Load(&pp.adjustTimers) == 0 {// 如果没有需要可调整的，则直接返回最先执行 timer 的时间
next := int64(atomic.Load64(&pp.timer0When))
if next == 0 {
return now, 0, false
}
if now == 0 {
now = nanotime()
}
if now if pp != getg().m.p.ptr() || int(atomic.Load(&pp.deletedTimers)) <= int(atomic.Load(&pp.numTimers)/4) { //且要删除的 Timer数量小于 Timer总数的1/4
return now, next, false
}
}
}
​
lock(&pp.timersLock)
​
adjusttimers(pp)// 可以看下面的源码解析，当前 p 上的所有 timers 的状态，该删除的删了，该调整的调整
​
rnow = now
if len(pp.timers) > 0 {
if rnow == 0 {
rnow = nanotime()
}
for len(pp.timers) > 0 {
if tw := runtimer(pp, rnow); tw != 0 { // 通过 runtimer（可以看上面的源码解析） 开始调用
if tw > 0 {
pollUntil = tw
}
break
}
ran = true
}
}
// 如果可删除的 Timers 大于 Timer总数量的1/4，则进行删除（因为上面执行了 runtimer)
if pp == getg().m.p.ptr() && int(atomic.Load(&pp.deletedTimers)) > len(pp.timers)/4 {
clearDeletedTimers(pp)
}
​
unlock(&pp.timersLock)
​
return rnow, pollUntil, ran
}

adjusttimers

func adjusttimers(pp *p) {
if len(pp.timers) == 0 {
return
}
if atomic.Load(&pp.adjustTimers) == 0 { // 如果需要调整的 Timer 为 0，则直接返回
...
return
}
var moved []*timer
loop:
for i := 0; i t := pp.timers[i]
if t.pp.ptr() != pp {
throw("adjusttimers: bad p")
}
switch s := atomic.Load(&t.status); s {
case timerDeleted: // 这里就是将部分需要删除的 Timer 给清理掉
if atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {
dodeltimer(pp, i)
if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) {
badTimer()
}
atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -1)
i--
}
case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater: // 把需要调整 Timer 放到 moved 中，然后删除当前堆的数据进行堆调整，后续将 moved 通过 addAdjustedTimers 添加
if atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) {
t.when = t.nextwhen
dodeltimer(pp, i)
moved = append(moved, t)
if s == timerModifiedEarlier {
if n := atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -1); int32(n) <= 0 {
break loop
}
}
i--
}
case timerNoStatus, timerRunning, timerRemoving, timerRemoved, timerMoving:
badTimer()
case timerWaiting:
case timerModifying:
osyield()
i--
default:
badTimer()
}
}
​
if len(moved) > 0 {
addAdjustedTimers(pp, moved) // 这里就是将需要调整的 timer 重新添加进来
}
​
...
}

addAdjustedTimers

func addAdjustedTimers(pp *p, moved []*timer) {
for _, t := range moved {
doaddtimer(pp, t)// 上文有源码解析
if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
badTimer()
}
}
}

clearDeletedTimers

func clearDeletedTimers(pp *p) {
cdel := int32(0)
cearlier := int32(0)
to := 0
changedHeap := false
timers := pp.timers
nextTimer:
for _, t := range timers {
for {
switch s := atomic.Load(&t.status); s {
case timerWaiting:
if changedHeap {
timers[to] = t
siftupTimer(timers, to)
}
to++
continue nextTimer
case timerModifiedEarlier, timerModifiedLater: // 将 timer 状态调整成 timeWaiting，将其放至其正确的执行时间位置
if atomic.Cas(&t.status, s, timerMoving) {
t.when = t.nextwhen
timers[to] = t
siftupTimer(timers, to)
to++
changedHeap = true
if !atomic.Cas(&t.status, timerMoving, timerWaiting) {
badTimer()
}
if s == timerModifiedEarlier {
cearlier++
}
continue nextTimer
}
case timerDeleted: // 将 timerDeleted 转变成 timerRemoved，然后从 timers 堆中删掉（在当前函数后面可以看出）
if atomic.Cas(&t.status, s, timerRemoving) {
t.pp = 0
cdel++
if !atomic.Cas(&t.status, timerRemoving, timerRemoved) {
badTimer()
}
changedHeap = true
continue nextTimer
}
case timerModifying:
osyield()
case timerNoStatus, timerRemoved:
badTimer()
case timerRunning, timerRemoving, timerMoving:
badTimer()
default:
badTimer()
}
}
}
​
// 在这里对于剩余的空间 设置为 nil 操作（垃圾回收方便）
for i := to; i timers[i] = nil
}
​
atomic.Xadd(&pp.deletedTimers, -cdel)
atomic.Xadd(&pp.numTimers, -cdel)
atomic.Xadd(&pp.adjustTimers, -cearlier)
​
// 在这里进行一次大清理
timers = timers[:to]
pp.timers = timers
updateTimer0When(pp)
​
...
}

大致执行的情况我们看好了，那我们接下来看 Stop() 的源码部分

deltimer

func (t *Ticker) Stop() {
stopTimer(&t.r)
}
​
func stopTimer(t *timer) bool {
return deltimer(t)
}
​
func deltimer(t *timer) bool {
for {
switch s := atomic.Load(&t.status); s {
case timerWaiting, timerModifiedLater: //将 timer 的 status变更为 timerDeleted ，并deletedTimers 加 1
mp := acquirem()
if atomic.Cas(&t.status, s, timerModifying) {
tpp := t.pp.ptr()
if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, timerDeleted) { //
badTimer()
}
releasem(mp)
atomic.Xadd(&tpp.deletedTimers, 1)
return true
} else {
releasem(mp)
}
case timerModifiedEarlier: //将 timer 的 status 变更为 timerDeleted，然后 adjustTimers 减 1，deletedTimers 加 1
mp := acquirem()
if atomic.Cas(&t.status, s, timerModifying) {
tpp := t.pp.ptr()
atomic.Xadd(&tpp.adjustTimers, -1)
if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, timerDeleted) {
badTimer()
}
releasem(mp)
atomic.Xadd(&tpp.deletedTimers, 1)
return true
} else {
releasem(mp)
}
case timerDeleted, timerRemoving, timerRemoved:
return false
case timerRunning, timerMoving:
osyield()
case timerNoStatus:
return false
case timerModifying:
osyield()
default:
badTimer()
}
}
}

后续调度中， Timer 的状态可以从 timerDeleted 设置成 timerRemoved 并从 timers 堆中去除（注意，这里用了“可以”，可以看上面的状态图了解）

在复用 Timer 的时候，我们经常使用 Reset()，我们来看下源码部分是怎么样的

modtimer

func (t *Timer) Reset(d Duration) bool {
if t.r.f == nil {
panic("time: Reset called on uninitialized Timer")
}
w := when(d)
active := stopTimer(&t.r) // 这里我们上面源码解释过了，即将当前的 timer 的 status 设置成 timerDeleted
resetTimer(&t.r, w)
return active
}
​
func resettimer(t *timer, when int64) {
modtimer(t, when, t.period, t.f, t.arg, t.seq)
}
​
func modtimer(t *timer, when, period int64, f func(interface{}, uintptr), arg interface{}, seq uintptr) {
if when <0 {
when = maxWhen
}
​
status := uint32(timerNoStatus)
wasRemoved := false
var mp *m
loop:
for {
// 主要的目的就是将当前的 timer 的状态设置成 timerModifying
switch status = atomic.Load(&t.status); status {
case timerWaiting, timerModifiedEarlier, timerModifiedLater:
mp = acquirem()
if atomic.Cas(&t.status, status, timerModifying) {
break loop
}
releasem(mp)
case timerNoStatus, timerRemoved:
mp = acquirem()
if atomic.Cas(&t.status, status, timerModifying) {
wasRemoved = true
break loop
}
releasem(mp)
case timerDeleted:
mp = acquirem()
if atomic.Cas(&t.status, status, timerModifying) {
atomic.Xadd(&t.pp.ptr().deletedTimers, -1)
break loop
}
releasem(mp)
case timerRunning, timerRemoving, timerMoving:
osyield()
case timerModifying:
osyield()
default:
badTimer()
}
}
​
t.period = period
t.f = f
t.arg = arg
t.seq = seq
​
if wasRemoved { // 如果是已经被移除的，则要重新加回到 timers 中，且状态变更为 timerWaiting
t.when = when
pp := getg().m.p.ptr()
lock(&pp.timersLock)
doaddtimer(pp, t)
unlock(&pp.timersLock)
if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, timerWaiting) {
badTimer()
}
releasem(mp)
wakeNetPoller(when)
} else {
t.nextwhen = when
​
newStatus := uint32(timerModifiedLater)
if when newStatus = timerModifiedEarlier
}
​
adjust := int32(0)
if status == timerModifiedEarlier {
adjust--
}
if newStatus == timerModifiedEarlier {
adjust++
}
if adjust != 0 {
atomic.Xadd(&t.pp.ptr().adjustTimers, adjust)
}
​
if !atomic.Cas(&t.status, timerModifying, newStatus) { // 将当前 timer 设置成 timerModifiedEarlier/timerModifiedEarlier
badTimer()
}
releasem(mp)
​
if newStatus == timerModifiedEarlier {
wakeNetPoller(when)
}
}
}