通过源码解析 Node.js 中高效的 timer

菜菜蔡伟

在 Node.js 中,许许多多的异步操作,都需要来一个兜底的超时,这时,就轮到 timer 登场了。由于需要使用它的地方是那么的多,而且都是基础的功能模块,所以,对于它性能的要求,自然是十分高的。总结来说,要求有:

  • 更快的添加操作。

  • 更快的移除操作。

  • 更快的超时触发。

接下来就让我们跟着 Node.js 项目中的 lib/timer.jslib/internal/linklist.js 来探究它具体的实现。

更快的添加 / 移除操作

说到添加和移除都十分高效的数据结构,第一个映入脑帘的,自然就是链表啦。是的,Node.js 就是使用了双向链表,来将 timer 的插入和移除操作的时间复杂度都降至 O(1) 。双向链表的具体实现便在 lib/internal/linklist.js 中:

// lib/internal/linklist.js
'use strict';
function init(list) {
  list._idleNext = list;
  list._idlePrev = list;
}
exports.init = init;

function peek(list) {
  if (list._idlePrev == list) return null;
  return list._idlePrev;
}
exports.peek = peek;

function shift(list) {
  var first = list._idlePrev;
  remove(first);
  return first;
}
exports.shift = shift;

function remove(item) {
  if (item._idleNext) {
    item._idleNext._idlePrev = item._idlePrev;
  }

  if (item._idlePrev) {
    item._idlePrev._idleNext = item._idleNext;
  }

  item._idleNext = null;
  item._idlePrev = null;
}
exports.remove = remove;

function append(list, item) {
  remove(item);
  item._idleNext = list._idleNext;
  list._idleNext._idlePrev = item;
  item._idlePrev = list;
  list._idleNext = item;
}
exports.append = append;

function isEmpty(list) {
  return list._idleNext === list;
}
exports.isEmpty = isEmpty;

可以看到,都是些修改链表中指针的操作,都十分高效。

更快的超时触发

链表的缺点,自然是它的查找时间,对于一个无序的链表来说,查找时间需要 O(n) ,但是,只要基于一个大前提,那么我们的实现就并不需要使用到链表的查询,这也是更高效的超时触发的基础所在,那就是,对于同一延迟的 timers ,后添加的一定比先添加的晚触发。所以,源码的具体做法就是,对于同一延迟的所有 timers ,全部都维护在同一个双向链表中,后来的,就不断往链表末尾追加,并且这条链表实际上共享同一个定时器 。这个定时器会在当次超时触发时,动态计算下一次的触发时间点。所有的链表,都保存在一个对象 map 中。如此一来,既做到了定时器的复用优化,又对链表结构进行了扬长避短。

让我们先以 setTimeout 为例看看具体代码,首先是插入:

// lib/timer.js
// ...
const refedLists = {};
const unrefedLists = {};

exports.setTimeout = function(callback, after) {
  // ... 
  var timer = new Timeout(after);
  var length = arguments.length;
  var ontimeout = callback;
  // ...
  timer._onTimeout = ontimeout;
  
  active(timer);
  return timer;
};

const active = exports.active = function(item) {
  insert(item, false);
};

function insert(item, unrefed) {
  const msecs = item._idleTimeout;
  if (msecs < 0 || msecs === undefined) return;

  item._idleStart = TimerWrap.now();

  var list = lists[msecs];
  if (!list) {
    // ...
    list = new TimersList(msecs, unrefed);
    L.init(list);
    list._timer._list = list;

    if (unrefed === true) list._timer.unref();
    list._timer.start(msecs, 0);

    lists[msecs] = list;
    list._timer[kOnTimeout] = listOnTimeout;
  }

  L.append(list, item);
  assert(!L.isEmpty(list));
}

即检查当前在对象 map 中,是否存在该超时时间(msecs)的双向链表,若无,则新建一条。你应该已经看出,超时触发时具体的处理逻辑,就在 listOnTimeout 函数中:

// lib/timer.js
// ...
function listOnTimeout() {
  var list = this._list;
  var msecs = list.msecs;

  var now = TimerWrap.now();

  var diff, timer;
  while (timer = L.peek(list)) {
    diff = now - timer._idleStart;

    if (diff < msecs) {
      this.start(msecs - diff, 0);
      return;
    }
    L.remove(timer);
    // ...
    tryOnTimeout(timer, list);
    // ...
  }

  this.close();
  // ...
}

即不断从链表头取出封装好的包含了注册时间点处理函数的对象,然后挨个执行,直到计算出的超时时间点已经超过当前时间点。

举个图例,在时间点 10,100,400 时分别注册了三个超时时间为 1000 的 timer,在时间点 300 注册了一个超时时间为 3000 的 timer,即在时间点 500 时,对象 map 的结构即为:

3.pic.jpg

随后在时间点 1200 触发了超时事件,并在时间点 1300 执行完毕,彼时对象 map 的结构即为:

4.pic.jpg

setInterval 和 setImmediate

setInterval 的实现总体和 setTimeout 很相似,区别在于对注册的回调函数进行了封装,在链表的尾部重新插入:

// lib/timer.js
// ...

function wrapper() {
  timer._repeat(); // 执行传入的回调函数

  if (!timer._repeat)
    return;

  // ...
  timer._idleTimeout = repeat;
  active(timer);
}

setImmediatesetTimeout 实现上的主要区别则在于,它会一次性将链表中注册的,都执行完:

// lib/timer.js
// ...
function processImmediate() {
  var queue = immediateQueue;
  var domain, immediate;

  immediateQueue = {};
  L.init(immediateQueue);

  while (L.isEmpty(queue) === false) {
    immediate = L.shift(queue);
    // ...
    tryOnImmediate(immediate, queue);
    // ...
  }

  if (L.isEmpty(immediateQueue)) {
    process._needImmediateCallback = false;
  }
}

所以作为功能类似的 process.nextTicksetImmediate ,在功能层面上看,每次事件循环,它们都会将存储的回调都执行完,但 process.nextTick 中的存储的回调,会先于 setImmediate 中的执行:

'use strict'
const print = (i) => () => console.log(i)

process.nextTick(print(1))
process.nextTick(print(2))

setImmediate(() => {
  print(3)()
  setImmediate(print(6))
  process.nextTick(print(5))
})
setImmediate(print(4))

console.log('发车')

// 发车
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5
// 6

最后

参考:

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