  定时器使得我们可以延迟若干时间执行某项任务，或者以某一时间周期性执行某项任务，Linux系统本身也具备定时器能力，Go语言是定时器是基于系统调用实现的吗？另外，Go语言不是多协程吗，定时器触发时，是在哪个协程执行任务的呢？创建任务的协程吗？
## 基本操作
  Go语言time包提供了时间/定时器相关的API，如获取当前系统时间（可以到达纳秒级别），协程休眠指定时间，延迟指定时间执行某项任务，以某一时间周期性执行某项任务等等，操作如下：
```
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
//纳秒时间戳
t := time.Now().UnixNano()
fmt.Println(t) //1652510180050345000
//秒时间戳
t = time.Now().Unix()
fmt.Println(t) //1652510180
//格式化显示时间
fmt.Println(time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05")) //2022-05-14 14:36:20
// 一秒后执行函数
time.AfterFunc(time.Second, func() {
fmt.Println(time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"))
})
// 以一秒为周期，定时触发
ticker := time.NewTicker(time.Second)
go func() {
for {
<- ticker.C //时间触发时，管道可读
fmt.Println(time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"))
}
}()
//协程休眠3秒
time.Sleep(10 * time.Second)
}
```
  注意格式化时间显示时间年月日时分秒，用的是"2006-01-02 15:04:05"，Format方法使用其他格式如"2022-05-14 14:36:20"可以吗？按理说这两个时间字符串格式是一样的，只是值不一样罢了，结果应该没区别。写个小程序测试下，你会发现，结果有点奇怪：
```
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func main() {
//格式化显示时间
fmt.Println(time.Now().Format("2022-05-14 14:36:20"))
//输出：141414-02-540 540:26:140
}
```
  这是什么？为什么不是正常的年月日时分秒显示呢？这就需要研究下Go语言Format方法，支持的格式标识，比如其他一些语言使用Y表示年，M表示月等。Go语言定义的年月日等标识如下：
```
const (
stdZeroMonth // "01"
stdZeroDay // "02"
stdHour = iota + stdNeedClock // "15"
stdZeroMinute // "04"
stdZeroSecond // "05"
stdLongYear = iota + stdNeedDate // "2006"
//省略了其他标识定义
)
```
  看到了吧，"2006"、"01"等才是Go语言定义的时间格式标识，所以"2006-01-02 15:04:05"才能正常显示年月日时分秒，而其他如"2022-05-14 14:36:20"的结果就有些不符合预期了。当然，这里还省略了很多其他时间格式标识，就定义在time/format.go文件，有兴趣的读者可以自己研究。
  再回顾上面的程序，time.AfterFunc可以在指定时间执行函数，time.NewTicker可以以一定时间周期触发时间，time.Sleep可以使协程休眠一定时间（过期后再恢复协程的调度），这如何实现呢？要知道项目中可能大量使用定时器，Go语言如何能在精确的时间触发定时事件呢？另外time.AfterFunc，执行函数时，是在哪个协程执行呢？添加定时器的协程吗？
## 实现原理-堆
  Go语言如何能在精确的时间触发定时事件呢？这意味着定时器的增删改查效率必须要高，不然难道每次都遍历所有定时器，判断哪些该触发吗？如果维护所有定时器有序呢？只需要查找第一个定时器，如果到期了则触发，并且继续查找；如果未到期也就不用继续查找了，因为后面的到期时间肯定大于第一个定时器的到期时间。但是为了维护有序，添加定时器、修改定时器以及删除定时器的效率又太低。
  需要具备一定的有序性，增删改查性能还要高，什么数据结构合适呢？有一种数据结构叫堆（最大堆，最小堆），以最小堆为例，它本质上是一棵完全二叉树，只是要求任何一个节点的值，都小于左右两个子节点的值，所以根节点的值一定是最小的。这样如果定时器使用了最小堆，只需要判断根节点是否到期，如果到期则触发并删除根节点，而删除的过程中还需要保证剩下的节点依然满足最小堆的条件；这样一来，获取下一个最近到期的定时器，时间复杂度依然是O(1)。那么，最小堆，节点的删除以及添加的时间复杂度是多少呢？也是比较低的，O(logn)。
  普通二叉树节点通常需要左右left、right指针，而堆是完全二叉树，可以基于数组实现的，为什么呢？因为父子节点的索引是有关系的，如下图：
  堆在插入节点时，通常先添加到数组的最后，再与父节点比较，如果满足堆的定义，则结束；否则，与父节点交换。持续比较交换到根节点为止，这一过程称之为上浮。一棵节点数为N的完全二叉树，高度为logn，也就是说比较交换最多需要执行logn次，即堆的插入时间复杂度为O(logn)。
  堆在删除根节点时，通常先交换根节点与最后一个节点，再直接删除最后一个节点（也就是根节点）；此时根节点可能不满足堆的定义，所以，还需要与左右两个子节点比较。持续比较交换到最后一个节点为止，这一过程称之为下沉。删除的时间复杂度同样为O(logn)。删除过程逻辑如下：
  普通堆是完全二叉树，而Go语言使用的是四叉树，为什么呢？树更低，时间复杂度更低呗。结合我们介绍的堆的插入与删除逻辑，我们看看Go语言四叉堆的插入与上浮逻辑：
```
func siftupTimer(t []*timer, i int) int {
tmp := t[i]
for i > 0 {
//四叉树，父节点索引是(i - 1) / 4
p := (i - 1) / 4 // parent
if when >= t[p].when { //父节点小于当前节点，break
break
}
t[i] = t[p] //交换
i = p
}
if tmp != t[i] { //交换
t[i] = tmp
}
return i
}
//添加定时器
func doaddtimer(pp *p, t *timer) {
i := len(pp.timers)
pp.timers = append(pp.timers, t)
siftupTimer(pp.timers, i)
//如果是根节点，记录过期时间（最小）
if t == pp.timers[0] {
atomic.Store64(&pp.timer0When, uint64(t.when))
}
}
```
  Go语言四叉堆的删除与下沉逻辑非常类似，这里就不再赘述，可以参考runtime/time.go文件，dodeltimer0与siftdownTimer这两个函数。
  另外可以看到，结构timer就代表了一个定时器，包含了定时器的过期时间，执行周期，执行方法等等，定义如下：
```
type timer struct {
// Timer wakes up at when, and then at when+period, ... (period > 0 only)
when int64
period int64
//执行方法+参数
f func(any, uintptr)
arg any
seq uintptr
}
```
  思考一下，Go语言是多线程+多协程程序，如果多个协程并发添加定时器呢？如果全局只有一个定时器堆，是不是每次操作都需要加锁呢？Go语言低版本就是这么实现的。现在是每一个P都维护了一个定时器堆，从doaddtimer函数就能看出来，传入了当前线程M绑定的P，而定时器也是添加到该P的定时器堆。看看P结构定义的定时器相关字段：
```
type p struct {
//定时器堆
timers []*timer
// The when field of the first entry on the timer heap.
// This is updated using atomic functions.
// This is 0 if the timer heap is empty.
//定时器堆根节点的过期时间（最小）
timer0When uint64
}
```
  最后读者要注意的是，time包定义了很多定时器相关的函数，但是这些函数的具体实现往往是在runtime包，比如
```
func Sleep(d Duration) //实现函数为 timeSleep
func startTimer(*runtimeTimer) //time.NewTicker、time.After等都是基于startTimer函数添加的定时器
func stopTimer(*runtimeTimer) bool
func resetTimer(*runtimeTimer, int64) bool //timeSleep基于resetTimer实现
```
  可以简单看看time.AfterFunc函数的实现：
```
func AfterFunc(d Duration, f func()) *Timer {
t := &Timer{
r: runtimeTimer{
when: when(d),
f: goFunc, //启动一个协程执行函数f
arg: f,
},
}
startTimer(&t.r)
return t
}
```
## 定时器与调度器schedule
  每一个P都维护一个定时器四叉堆，那么Go语言是在什么时候检测是否要定时器过期呢？这肯定与调度器schedule有关了：
```
func schedule() {
//检测定时器并执行
checkTimers(pp, 0)
//查找可执行协程
}
func checkTimers(pp *p, now int64) (rnow, pollUntil int64, ran bool) {
//最近过期的定时器
next := int64(atomic.Load64(&pp.timer0When))
if next == 0 {
// No timers to run or adjust.
return now, 0, false
}
if now == 0 {
now = nanotime()
}
//第一个定时器没有过期，返回
if now < next {
return now, next, false
}
if len(pp.timers) > 0 {
adjusttimers(pp, now)
for len(pp.timers) > 0 {
//运行定时器（获取第一个定时器，如果过期则执行，否则返回时间差）
if tw := runtimer(pp, now); tw != 0 {
//第一个定时器没有过期，结束循环
break
}
ran = true
}
}
}
```
  这下都明白了，调度器schedule在查找可运行协程时，先通过checkTimers检测定时器是否过期，并执行。也就是说，定时器函数f是在调度调度栈执行的；而且，如果某一个协程长时间运行（假设也没有被抢占），也有可能导致定时器的延后触发。
## 系统时间
  最后再思考一个问题，Go语言获取时间戳甚至可以精确到纳秒级别，按理来说，获取时间通常需要通过系统调用完成，而系统调用又会导致程序的低性能。那么Go语言是如何高性能的实现系统时间的获取呢？
  这里需要了解一个概念，Linux VDSO（virtual dynamic shared object），他是为了优化用户程序频繁的系统调用，把系统调用改成用户态的函数调用，gettimeofday就是其中一个。
  VDSO的介绍可以参考文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/436454953
## 总结
  本篇文章主要介绍了Go语言定时器的基本使用以及实现原理，堆（最大堆/最小堆）有很多应用场景，如定时器，优先级队列等等。用户程序可能添加很多定时任务，而调度器schedule在调度协程之前，会检测是否有定时任务到期，如果有则执行该定时任务。
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