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一个简单的时间窗口设计与实现

如何设计一个计数的时间窗口

时间窗口，通常对于一些实时信息展示中用得比较多，比如维持一个五分钟的交易明细时间窗口，就需要记录当前时间，到五分钟之前的所有交易明细，而五分钟之前的数据，则丢掉

一个简单的实现就是用一个队列来做，新的数据在对头添加；同时起一个线程，不断的询问队尾的数据是否过期，如果过期则丢掉

另外一中场景需要利用到这个时间窗口内的数据进行计算，如计算着五分钟交易中资金的流入流出总和，如果依然用上面的这种方式，会有什么问题？

如果时间窗口大，需要存储大量的明细数据
我们主要关心的只有资金流入流出；存这些明细数据得不偿失
每次新增or删除过期数据时，实时计算流入流出消耗性能

针对这种特殊的场景，是否有什么取巧的实现方式呢？

I. 方案设计

1. 基于队列的轮询删除方式

将时间窗口分割成一个一个的时间片，每个时间片中记录资金的流入流出总数，然后总的流入流出就是所有时间片的流入流出的和

新增数据：

若未跨时间片，则更新队头的值
若跨时间片，新增一个队列头

删除数据：

轮询任务，判断队列尾是否过期
队尾过期，则删除队尾，此时若队头数据未加入计算，也需要加入计算

2. 基于队列的新增时删除方式

相比较前面的轮询方式，这个的应用场景为另外一种，只有在新增数据时，确保数据的准确性即可，不需要轮询的任务去删除过期的数据

简单来说，某些场景下（比如能确保数据不会断续的进来，即每个时间片都至少有一个数据过来），此时希望我的时间窗口数据是由新增的数据来驱动并更新

新增数据：

未跨时间片，则更新队头值
跨时间片，新塞入一个，并删除旧的数据

II. 基于数组的时间窗口实现

针对上面第二种，基于数组给出一个简单的实现，本篇主要是给出一个基础的时间窗口的设计与实现方式，当然也需要有进阶的case，比如上面的资金流入流出中，我需要分别计算5min,10min,30min,1h,3h,6h,12h,24h的时间窗口，该怎么来实现呢？能否用一个队列就满足所有的时间窗口的计算呢？关于这些留待下一篇给出

1. 时间轮计算器

前面用队列的方式比较好理解，这里为什么用数组方式来实现？

固定长度，避免频繁的新增和删除对象
定位和更新数据方便

首先是需要实现一个时间轮计算器，根据传入的时间，获取需要删除的过期数据

@Data
public class TimeWheelCalculate {
    private static final long START = 0;

    private int period;
    private int length;

    /**
     * 划分的时间片个数
     */
    private int cellNum;

    private void check() {
        if (length % period != 0) {
            throw new IllegalArgumentException(
                    "length % period should be zero but not! now length: " + length + " period: " + period);
        }
    }

    public TimeWheelCalculate(int period, int length) {
        this.period = period;
        this.length = length;

        check();

        this.cellNum = length / period;
    }

    public int calculateIndex(long time) {
        return (int) ((time - START) % length / period);
    }

    /**
     * 获取所有过期的时间片索引
     *
     * @param lastInsertTime 上次更新时间轮的时间戳
     * @param nowInsertTime  本次更新时间轮的时间戳
     * @return
     */
    public List<Integer> getExpireIndexes(long lastInsertTime, long nowInsertTime) {
        if (nowInsertTime - lastInsertTime >= length) {
            // 已经过了一轮，过去的数据全部丢掉
            return null;
        }

        List<Integer> removeIndexList = new ArrayList<>();
        int lastIndex = calculateIndex(lastInsertTime);
        int nowIndex = calculateIndex(nowInsertTime);
        if (lastIndex == nowIndex) {
            // 还没有跨过这个时间片，则不需要删除过期数据
            return Collections.emptyList();
        } else if (lastIndex < nowIndex) {
            for (int tmp = lastIndex; tmp < nowIndex; tmp++) {
                removeIndexList.add(tmp);
            }
        } else {
            for (int tmp = lastIndex; tmp < cellNum; tmp++) {
                removeIndexList.add(tmp);
            }

            for (int tmp = 0; tmp < nowIndex; tmp++) {
                removeIndexList.add(tmp);
            }
        }
        return removeIndexList;
    }
}

这个计算器的实现比较简单，首先是指定时间窗口的长度(length),时间片(period)，其主要提供两个方法

calculateIndex
getExpireIndexes

2. 时间轮容器

容器内保存的时间窗口下的数据，包括实时数据，和过去n个时间片的数组，其主要的核心就是在新增数据时，需要判断

若跨时间片，则删除过期数据，更新实时数据，更新总数
若未跨时间片，则直接更新实时数据即可

@Data
public class TimeWheelContainer {
    private TimeWheelCalculate calculate;

    /**
     * 历史时间片计数，每个时间片对应其中的一个元素
     */
    private int[] counts;

    /**
     * 实时的时间片计数
     */
    private int realTimeCount;

    /**
     * 整个时间轮计数
     */
    private int timeWheelCount;

    private Long lastInsertTime;


    public TimeWheelContainer(TimeWheelCalculate calculate) {
        this.counts = new int[calculate.getCellNum()];
        this.calculate = calculate;
        this.realTimeCount = 0;
        this.timeWheelCount = 0;
        this.lastInsertTime = null;
    }

    public void add(long now, int amount) {
        if (lastInsertTime == null) {
            realTimeCount = amount;
            lastInsertTime = now;
            return;
        }


        List<Integer> removeIndex = calculate.getExpireIndexes(lastInsertTime, now);
        if (removeIndex == null) {
            // 两者时间间隔超过一轮，则清空计数
            realTimeCount = amount;
            lastInsertTime = now;
            timeWheelCount = 0;
            clear();
            return;
        }

        if (removeIndex.isEmpty()) {
            // 没有跨过时间片，则只更新实时计数
            realTimeCount += amount;
            lastInsertTime = now;
            return;
        }

        // 跨过了时间片，则需要在总数中删除过期的数据，并追加新的数据
        for (int index : removeIndex) {
            timeWheelCount -= counts[index];
            counts[index] = 0;
        }
        timeWheelCount += realTimeCount;
        counts[calculate.calculateIndex(lastInsertTime)] = realTimeCount;
        lastInsertTime = now;
        realTimeCount = amount;
    }

    private void clear() {
        for (int i = 0; i < counts.length; i++) {
            counts[i] = 0;
        }
    }
}

3. 测试

主要就是验证上面的实现有没有明显的问题，为什么是明显的问题？

深层次的bug在实际的使用中，更容易暴露

public class CountTimeWindow {

    public static void main(String[] args) {
        TimeWheelContainer timeWheelContainer = new TimeWheelContainer(new TimeWheelCalculate(2, 20));

        timeWheelContainer.add(0, 1);
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 0, "first");

        timeWheelContainer.add(1, 1);
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 0, "first");

        timeWheelContainer.add(2, 1);
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 2, "second");
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getCounts()[0] == 2, "second");

        for (int i = 3; i < 20; i++) {
            timeWheelContainer.add(i, 1);
            System.out.println("add index: " + i + " count: " + timeWheelContainer.getTimeWheelCount());
        }

        // 刚好一轮

        timeWheelContainer.add(20, 3);
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 20, "third");
        timeWheelContainer.add(21, 3);
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 20, "third");


        // 减去过期的那个数据
        timeWheelContainer.add(22, 3);
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 26 - 2, "fourth");
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getCounts()[0] == 6, "fourth");


        timeWheelContainer.add(26, 3);
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 24 - 2 - 2 + 3, "fifth");
        System.out.println(Arrays.toString(timeWheelContainer.getCounts()));


        timeWheelContainer.add(43, 3);
        System.out.println(Arrays.toString(timeWheelContainer.getCounts()));
        Assert.isTrue(timeWheelContainer.getTimeWheelCount() == 6, "six");
    }
}