Timer Wheel 분석 — Hashed·Hierarchical·O(1) Tick
#한 줄 요약
**“Timer Wheel은 O(1) tick, O(1) add·cancel”**입니다. 수천 timer에도 상수 시간을 유지합니다.
#Naive — Sorted List
struct timer { uint32_t expiry; struct timer *next; };struct timer *head;
void add_timer(struct timer *t, uint32_t ms) { t->expiry = now() + ms; insert_sorted(&head, t); /* O(N) */}
void tick(void) { while (head && head->expiry <= now()) { head->callback(); head = head->next; }}Tick은 O(K)이고 여기서 K는 expired count입니다. Add는 O(N)입니다.
→ N=1000 timer 시 add마다 1000번의 cmp가 발생합니다. 그래서 high freq use에 부적합합니다.
#Min-Heap
struct timer heap[N]; /* min-heap by expiry */
void add(struct timer *t) { heap_push(heap, t); /* O(log N) */}
void tick(void) { while (heap[0].expiry <= now()) { heap[0].callback(); heap_pop(heap); }}add 비용은 O(log N)입니다. Linux hrtimer는 red-black tree를 쓰며 비슷한 효율을 보입니다.
#Hashed Timer Wheel — Varghese·Lauck 1987
#define WHEEL_SIZE 256
struct slot { struct timer *head;};
struct wheel { struct slot slots[WHEEL_SIZE]; uint32_t current_tick;} g_wheel;
void add_timer(struct timer *t, uint32_t ms) { uint32_t expiry = g_wheel.current_tick + ms; uint32_t slot = expiry % WHEEL_SIZE; t->expiry = expiry; t->next = g_wheel.slots[slot].head; g_wheel.slots[slot].head = t;}
void tick(void) { uint32_t slot = g_wheel.current_tick % WHEEL_SIZE; struct timer *t = g_wheel.slots[slot].head; g_wheel.slots[slot].head = NULL;
while (t) { struct timer *next = t->next; if (t->expiry == g_wheel.current_tick) { t->callback(); } else { /* Wrapped — re-add */ uint32_t new_slot = t->expiry % WHEEL_SIZE; t->next = g_wheel.slots[new_slot].head; g_wheel.slots[new_slot].head = t; } t = next; } g_wheel.current_tick++;}**Add는 O(1), Tick은 O(K)**입니다(K는 current slot의 timer 수).
⚠️ Wheel 한 바퀴(256 tick)를 초과하는 timer는 slot 충돌이 발생하므로 re-add로 처리합니다.
#Hierarchical Wheel — Linux jiffies
4-level wheel:
| Level | 단위 | 슬롯 | 범위 |
|---|---|---|---|
| 0 | 8 ms | 256 | 0-2 sec |
| 1 | 256 ms | 256 | 0-65 sec |
| 2 | 16 sec | 256 | 0-1 hour |
| 3 | ~1 hour | 256 | ~10 day |
Add:
- 가까운 expiry → level 0
- 먼 expiry → 높은 level
Tick (level 0 8ms):
- level 0 slot 처리
- 256 tick마다 → level 1의 slot 1개 spread to level 0
- 즉 level 1→0 cascade
O(1) add + O(1) tick에 가끔 cascade가 들어갑니다. Linux kernel 5.0까지 jiffies로 사용했고, 5.0+에서는 hash-only로 바뀌었습니다(no cascade).
#Linux New Hashed Wheel (HRtimer 아닌 timer_list)
9 level, 각 64 slot: level 0: 1ms × 64 level 1: 64ms × 64 level 2: 4s × 64 ...
Cascade 없음 — 각 level 직접 expiry 처리Tick O(1) + occasional level 0 processLinux 4.8+에서는 cascade를 제거했습니다. 그래서 더 단순하고 예측 가능합니다.
#DPDK Timer
struct rte_timer t;rte_timer_init(&t);rte_timer_reset(&t, 1000000 /* hz */, PERIODICAL, lcore_id, callback, arg);DPDK는 skiplist 기반입니다. add와 tick 모두 O(log N)입니다.
#정확도 vs 효율
Timer wheel 정확도 = tick frequency
- 1 ms tick → 1 ms 해상도
- 10 µs tick → 10 µs 해상도, but tick 비용 ↑
Tickless idle — sleep 중 expiry까지 hardware timer set
- tick freq 의미 적음
- 다음 expiry == hardware timer
Modern Linux와 FreeRTOS는 tickless입니다.
#STM32 — Hardware Timer Compare
/* TIM2 — compare 4 channel */HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);TIM2->CCR1 = expiry_ticks; /* trigger at expiry */
void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(...) { timer_at_expiry_handler();}여러 compare channel로 여러 timer를 동시에 운용할 수 있습니다. Hardware 자체가 정확합니다.
#ESP32 — esp_timer (One-shot·Periodic)
esp_timer_handle_t timer;esp_timer_create_args_t args = { .callback = &my_callback, .arg = data, .name = "mytimer",};esp_timer_create(&args, &timer);esp_timer_start_once(timer, 1000000); /* 1 sec */esp_timer_start_periodic(timer, 500000); /* 500 ms */내부는 high-resolution timer + sorted list로 구성되어 있습니다. 1 µs 정확도를 보장합니다.
#FreeRTOS Software Timer Wheel?
FreeRTOS의 xTimer 내부:
- Sorted list (linked, by expiry)
- Daemon task로 처리
- O(N) add — 적은 timer엔 OK
Modern Linux의 wheel과는 다릅니다. 임베디드에서는 timer 수가 적어 수용 가능합니다.
#Hierarchical Wheel — Software 구현
#define LVL0_SLOTS 64#define LVL1_SLOTS 64#define LVL_BITS 6 /* log2(64) */
struct level { struct list_head slots[64]; uint32_t current;};
struct hwheel { struct level levels[4]; uint64_t time;};
void add(uint64_t expiry) { uint64_t delta = expiry - hwheel.time; int level; if (delta < 64) level = 0; else if (delta < 64*64) level = 1; else if (delta < 64*64*64) level = 2; else level = 3;
int slot = (expiry >> (level * LVL_BITS)) & 63; list_add(&hwheel.levels[level].slots[slot], ...);}
void tick(void) { hwheel.time++; int l0 = hwheel.time & 63; expire_all(&hwheel.levels[0].slots[l0]); if (l0 == 0) { cascade(1); /* level 1 → 0 */ ... }}각 level에서 expiry bit pattern으로 slot을 결정합니다. Cascade를 통해 expiry가 임박하면 lower level로 이동합니다.
#TCP Timeout — Wheel 사례
Linux kernel TCP는 connection 수만큼 timer가 발생한다.
- 각 socket: retransmit·delack·keepalive·… 4+ timer
- 1 M connection × 4 = 4 M timer
- Sorted list 불가능 → wheel 필수
Linux kernel은 hashed wheel을 쓰고 cascade는 없습니다(4.8+).
#자주 하는 실수
⚠️ Naive sorted list로 1000+ timer를 처리합니다
add_timer(t, expiry); /* O(N) — 1000 timer 시 1 µs+ per add */→ wheel 또는 min-heap을 씁니다.
⚠️ Wheel 1 cycle을 초과하는 timer를 처리합니다
WHEEL_SIZE = 256add(timer, expiry = current + 1000); /* ← slot 996 = (current+1000) % 256 = same slot of current+232? */→ hierarchical wheel 또는 re-add on wrap을 적용합니다.
⚠️ Tick frequency가 너무 높습니다
configTICK_RATE_HZ = 10000; /* 100 µs tick — overhead 큼 */→ tickless idle 또는 hardware compare를 활용합니다.
⚠️ Cancel을 자주 하면 list scan이 발생합니다
cancel_timer(t); /* O(N) — list search */→ doubly-linked list로 O(1) remove를 보장합니다.
#정리
- Naive list는 O(N) add, Min-heap은 O(log N), **Wheel은 O(1)**입니다.
- Hashed wheel은 slot collision에서 wrap이 발생합니다.
- Hierarchical wheel은 multi-level + cascade 구조입니다.
- Linux 4.8+는 hashed no-cascade 방식입니다.
- STM32 hardware timer compare는 진정한 hardware 동작입니다.
- Tickless idle은 다음 expiry까지 sleep합니다.
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