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深入剖析Java定时任务ScheduledThreadPoolExecutor

沉默王二Java核心Java并发编程约 5711 字大约 19 分钟

第二十六节:定时任务 ScheduledThreadPoolExecutor

定时任务 ScheduledThreadPoolExecutor 类有两个用途:指定时间延迟后执行任务;周期性重复执行任务。

JDK 1.5 之前,主要使用Timer类来完成定时任务,但是Timer有以下缺陷:

  • Timer 是单线程模式;
  • 如果在执行任务期间某个 TimerTask 耗时较久,就会影响其它任务的调度;
  • Timer 的任务调度是基于绝对时间的,对系统时间敏感;
  • Timer 不会捕获执行 TimerTask 时所抛出的异常,由于 Timer 是单线程的,所以一旦出现异常,线程就会终止,其他任务无法执行。

于是 JDK 1.5 之后,开发者就抛弃了 Timer,开始使用ScheduledThreadPoolExecutor。先通过下面这张图感受下。

使用案例

假设我们有这样一个需求,指定时间给其他人发送消息。那么我们会将消息(包含发送时间)存储在数据库中,然后用一个定时任务,每隔 1 秒检查数据库在当前时间有没有需要发送的消息,那这个计划任务怎么完成呢?下面是一个 Demo:

public class ThreadPool {

    private static final ScheduledExecutorService executor = new
        ScheduledThreadPoolExecutor(1, Executors.defaultThreadFactory());

    private static SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public static void main(String[] args){
        // 新建一个固定延迟时间的计划任务
        executor.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (haveMsgAtCurrentTime()) {
                    System.out.println(df.format(new Date()));
                    System.out.println("大家注意了,我要发消息了");
                }
            }
        }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
    }

    public static boolean haveMsgAtCurrentTime(){
        //查询数据库,有没有当前时间需要发送的消息
        //这里省略实现,直接返回true
        return true;
    }
}

下面截取一段输出(demo 会一直运行下去):

2023-08-24 16:16:48
大家注意了,我要发消息了
2023-08-24 16:16:49
大家注意了,我要发消息了
2023-08-24 16:16:50
大家注意了,我要发消息了
2023-08-24 16:16:51
大家注意了,我要发消息了
2023-08-24 16:16:52
大家注意了,我要发消息了
2023-08-24 16:16:53
大家注意了,我要发消息了
2023-08-24 16:16:54
大家注意了,我要发消息了
2023-08-24 16:16:55
大家注意了,我要发消息了

这就是 ScheduledThreadPoolExecutor 的一个简单运用,接下来我们来看看它的实现原理。

类结构

public class ScheduledThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor
	implements ScheduledExecutorService {

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,ThreadFactory threadFactory) {
         super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
    }
    //……
}

ScheduledThreadPoolExecutor 继承了ThreadPoolExecutoropen in new window,并实现了ScheduledExecutorService接口。线程池 ThreadPoolExecutor 在之前介绍过了,相信大家都还有印象,接下来我们来看看 ScheduledExecutorService 接口。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    /**
     * 安排一个Runnable任务在给定的延迟后执行。
     *
     * @param command 需要执行的任务
     * @param delay 延迟时间
     * @param unit 时间单位
     * @return 可用于提取结果或取消的ScheduledFuture
     */
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit);

    /**
     * 安排一个Callable任务在给定的延迟后执行。
     *
     * @param callable 需要执行的任务
     * @param delay 延迟时间
     * @param unit 时间单位
     * @return 可用于提取结果或取消的ScheduledFuture
     */
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit);

    /**
     * 安排一个Runnable任务在给定的初始延迟后首次执行,随后每个period时间间隔执行一次。
     *
     * @param command 需要执行的任务
     * @param initialDelay 首次执行的初始延迟
     * @param period 连续执行之间的时间间隔
     * @param unit 时间单位
     * @return 可用于提取结果或取消的ScheduledFuture
     */
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    /**
     * 安排一个Runnable任务在给定的初始延迟后首次执行,随后每次完成任务后等待指定的延迟再次执行。
     *
     * @param command 需要执行的任务
     * @param initialDelay 首次执行的初始延迟
     * @param delay 每次执行结束后的延迟时间
     * @param unit 时间单位
     * @return 可用于提取结果或取消的ScheduledFuture
     */
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);
}

ScheduledExecutorService 接口继承了 ExecutorService 接口,并增加了几个定时相关的接口方法。前两个方法用于单次调度执行任务,区别是有没有返回值。

重点介绍一下后面两个方法:

01、scheduleAtFixedRate

scheduleAtFixedRate 方法在initialDelay时长后第一次执行任务,以后每隔period时长再次执行任务。注意,period 是从任务开始执行算起的。开始执行任务后,定时器每隔 period 时长检查该任务是否完成,如果完成则再次启动任务,否则等该任务结束后才启动任务。看下图:

02、scheduleWithFixDelay

该方法在initialDelay时长后第一次执行任务,以后每当任务执行完成后,等待delay时长,再次执行任务。看下图。

相信大家能体会出来其中的差异。

主要方法

schedule

// delay时长后执行任务command,该任务只执行一次
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    // 这里的decorateTask方法仅仅返回第二个参数
    RunnableScheduledFuture<?> t = decorateTask(command,
                                   		new ScheduledFutureTask<Void>(command, null, triggerTime(delay,unit)));
    // 延时或者周期执行任务的主要方法,稍后统一说明
    delayedExecute(t);
    return t;
}

我们先看看里面涉及到的几个类和接口的关系图谱:

Delayed 接口

// 继承Comparable接口,表示该类对象支持排序
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    // 返回该对象剩余时延
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

Delayed接口很简单,继承了Comparable接口,表示对象是可以比较排序的。

ScheduledFuture 接口

// 仅仅继承了Delayed和Future接口,自己没有任何代码
public interface ScheduledFuture<V> extends Delayed, Future<V> {
}

RunnableScheduledFuture 接口

public interface RunnableScheduledFuture<V> extends RunnableFuture<V>, ScheduledFuture<V> {    
    // 是否是周期任务,周期任务可被调度运行多次,非周期任务只被运行一次  
    boolean isPeriodic();
}

ScheduledFutureTask 类

回到schecule方法中,它创建了一个ScheduledFutureTask对象,由上面的关系图可知,ScheduledFutureTask直接或者间接实现了很多接口,一起看看ScheduledFutureTask里面的实现方法吧。

构造方法

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
    // 调用父类FutureTask的构造方法
    super(r, result);
    // time表示任务下次执行的时间
    this.time = ns;
    // 周期任务,正数表示按照固定速率,负数表示按照固定时延,0表示不是周期任务
    this.period = period;
    // 任务的编号
    this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

Delayed 接口的实现

// 实现Delayed接口的getDelay方法,返回任务开始执行的剩余时间
public long getDelay(TimeUnit unit) {
    return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}

Comparable 接口的实现

// Comparable接口的compareTo方法,比较两个任务的”大小”。
public int compareTo(Delayed other) {
    if (other == this)
      return 0;
    if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
      ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
      long diff = time - x.time;
      // 小于0,说明当前任务的执行时间点早于other,要排在延时队列other的前面
      if (diff < 0)
        return -1;
      // 大于0,说明当前任务的执行时间点晚于other,要排在延时队列other的后面
      else if (diff > 0)
        return 1;
      // 如果两个任务的执行时间点一样,比较两个任务的编号,编号小的排在队列前面,编号大的排在队列后面
      else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
        return -1;
      else
        return 1;
    }
    // 如果任务类型不是ScheduledFutureTask,通过getDelay方法比较
    long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
              other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
    return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}

setNextRunTime

// 任务执行完后,设置下次执行的时间
private void setNextRunTime() {
    long p = period;
    // p > 0,说明是固定速率运行的任务
    // 在原来任务开始执行时间的基础上加上p即可
    if (p > 0)
      time += p;
    // p < 0,说明是固定时延运行的任务,
    // 下次执行时间在当前时间(任务执行完成的时间)的基础上加上-p的时间
    else
      time = triggerTime(-p);
}

Runnable 接口实现

public void run() {
    boolean periodic = isPeriodic();
    // 如果当前状态下不能执行任务,则取消任务
    if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
      cancel(false);
    // 不是周期性任务,执行一次任务即可,调用父类的run方法
    else if (!periodic)
      ScheduledFutureTask.super.run();
    // 是周期性任务,调用FutureTask的runAndReset方法,方法执行完成后
    // 重新设置任务下一次执行的时间,并将该任务重新入队,等待再次被调度
    else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
      setNextRunTime();
      reExecutePeriodic(outerTask);
    }
}

总结一下 run 方法的执行过程:

  1. 如果当前线程池运行状态不运行执行任务,那么就取消该任务,然后直接返回,否则执行步骤 2;
  2. 如果不是周期性任务,调用 FutureTask 中的 run 方法执行,会设置执行结果,然后直接返回,否则执行步骤 3;
  3. 如果是周期性任务,调用 FutureTask 中的 runAndReset 方法执行,不会设置执行结果,然后直接返回,否则执行步骤 4 和步骤 5;
  4. 计算下次执行该任务的具体时间;
  5. 重复执行任务。

runAndReset方法是为任务多次执行而设计的。runAndReset方法执行完任务后不会设置任务的执行结果,也不会去更新任务的状态,以及维持任务的状态为初始状态(NEW状态),这也是该方法和 FutureTaskopen in new window run方法的区别。

scheduleAtFixedRate

我们看一下代码:

// 注意,固定速率和固定时延,传入的参数都是Runnable,也就是说这种定时任务是没有返回值的
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
      throw new NullPointerException();
    if (period <= 0)
      throw new IllegalArgumentException();
    // 创建一个有初始延时和固定周期的任务
    ScheduledFutureTask<Void> sft =
      new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                                    null,
                                    triggerTime(initialDelay, unit),
                                    unit.toNanos(period));
    RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
    // outerTask表示将会重新入队的任务
    sft.outerTask = t;
    // 稍后说明
    delayedExecute(t);
    return t;
}

scheduleAtFixedRate这个方法和schedule类似,不同点是scheduleAtFixedRate方法内部创建的是ScheduledFutureTask,带有初始延时和固定周期的任务。

scheduleWithFixedDelay

scheduleWithFixedDelay也是通过ScheduledFutureTask体现的,唯一不同的地方在于创建的ScheduledFutureTask不同。

public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
      throw new NullPointerException();
    if (delay <= 0)
      throw new IllegalArgumentException();
    // 创建一个有初始延时和固定时延的任务
    ScheduledFutureTask<Void> sft =
      new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                                    null,
                                    triggerTime(initialDelay, unit),
                                    unit.toNanos(-delay));
    RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
    // outerTask表示将会重新入队的任务
    sft.outerTask = t;
    // 稍后说明
    delayedExecute(t);
    return t;
}

delayedExecute

前面讲到的schedulescheduleAtFixedRatescheduleWithFixedDelay最后都调用了delayedExecute方法,该方法是定时任务执行的主要方法。 一起来看看源码:

private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
    // 线程池已经关闭,调用拒绝执行处理器处理
    if (isShutdown())
      reject(task);
    else {
      // 将任务加入到等待队列
      super.getQueue().add(task);
      // 线程池已经关闭,且当前状态不能运行该任务,将该任务从等待队列移除并取消该任务
      if (isShutdown() &&
          !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
          remove(task))
        task.cancel(false);
      else
        // 增加一个worker,就算corePoolSize=0也要增加一个worker
        ensurePrestart();
    }
}

delayedExecute方法的逻辑也很简单,主要就是将任务添加到等待队列,然后调用ensurePrestart方法。

void ensurePrestart() {
    int wc = workerCountOf(ctl.get());
    if (wc < corePoolSize)
        addWorker(null, true);
    else if (wc == 0)
        addWorker(null, false);
}

ensurePrestart方法主要是调用了addWorker 方法,线程池open in new window中的工作线程就是通过该方法来启动并执行任务的。相信大家都还有印象。

对于ScheduledThreadPoolExecutorworker添加到线程池后会在等待队列中等待获取任务,这点是和ThreadPoolExecutor是一致的。但是 worker 是怎么从等待队列取定时任务的呢?

DelayedWorkQueue

ScheduledThreadPoolExecutor使用了DelayedWorkQueue 来保存等待的任务。

该等待队列的队首应该保存的是最近将要执行的任务,所以worker只关心队首任务,如果队首任务的开始执行时间还未到,worker 也应该继续等待。

DelayedWorkQueue 是一个无界优先队列,使用数组存储,底层使用堆结构来实现优先队列的功能。

可以转换成如下的数组:

在这种结构中,可以发现有如下特性。假设,索引值从 0 开始,子节点的索引值为 k,父节点的索引值为 p,则:

  • 一个节点的左子节点的索引为:k = p * 2 + 1;
  • 一个节点的右子节点的索引为:k = (p + 1) * 2;
  • 一个节点的父节点的索引为:p = (k - 1) / 2。

我们来看看 DelayedWorkQueue 的声明和成员变量:

static class DelayedWorkQueue extends AbstractQueue<Runnable>
implements BlockingQueue<Runnable> {
	// 队列初始容量
	private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
	// 数组用来存储定时任务,通过数组实现堆排序
	private RunnableScheduledFuture[] queue = new RunnableScheduledFuture[INITIAL_CAPACITY];
	// 当前在队首等待的线程
	private Thread leader = null;
	// 锁和监视器,用于leader线程
	private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
	private final Condition available = lock.newCondition();
	// 其他代码,略
}

当一个线程成为 leader,它只需等待队首任务的 delay 时间即可,其他线程会无条件等待。leader 取到任务返回前要通知其他线程,直到有线程成为新的 leader。每当队首的定时任务被其他更早需要执行的任务替换,leader 就设置为 null,其他等待的线程(被当前 leader 通知)和当前的 leader 重新竞争成为 leader。

所有线程都会有三种身份中的一种:leader、follower,以及一个干活中的状态:proccesser。它的基本原则是,永远最多只有一个 leader。所有 follower 都在等待成为 leader。线程池启动时会自动产生一个 Leader 负责等待网络 IO 事件,当有一个事件产生时,Leader 线程首先通知一个 Follower 线程将其提拔为新的 Leader,然后自己就去干活了,去处理这个网络事件,处理完毕后加入 Follower 线程等待队列,等待下次成为 Leader。这种方法可以增强 CPU 高速缓存相似性,及消除动态内存分配和线程间的数据交换。

同时,定义了 ReentrantLockopen in new window 锁 lock 和 Conditionopen in new window available 用于控制和通知下一个线程竞争成为 leader。

当一个新的任务成为队首,或者需要有新的线程成为 leader 时,available 监视器上的线程将会被通知,然后竞争成为 leader 线程。有些类似于生产者-消费者模式open in new window

DelayedWorkQueue 是一个优先级队列,它可以保证每次出队的任务都是当前队列中执行时间最靠前的,由于它是基于堆结构的队列,堆结构在执行插入和删除操作时的最坏时间复杂度是 O(logN)

接下来看看DelayedWorkQueue中几个比较重要的方法。

take

public RunnableScheduledFuture take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      for (;;) {
        // 取堆顶的任务,堆顶是最近要执行的任务
        RunnableScheduledFuture first = queue[0];
        // 堆顶为空,线程要在条件available上等待
        if (first == null)
          available.await();
        else {
          // 堆顶任务还要多长时间才能执行
          long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
          // 堆顶任务已经可以执行了,finishPoll会重新调整堆,使其满足最小堆特性,该方法设置任务在
          // 堆中的index为-1并返回该任务
          if (delay <= 0)
            return finishPoll(first);
          // 如果leader不为空,说明已经有线程成为leader并等待堆顶任务
          // 到达执行时间,此时,其他线程都需要在available条件上等待
          else if (leader != null)
            available.await();
          else {
            // leader为空,当前线程成为新的leader
            Thread thisThread = Thread.currentThread();
            leader = thisThread;
            try {
              // 当前线程已经成为leader了,只需要等待堆顶任务到达执行时间即可
              available.awaitNanos(delay);
            } finally {
              // 返回堆顶元素之前将leader设置为空
              if (leader == thisThread)
                leader = null;
            }
          }
        }
      }
    } finally {
      // 通知其他在available条件等待的线程,这些线程可以去竞争成为新的leader
      if (leader == null && queue[0] != null)
        available.signal();
      lock.unlock();
    }
}

take方法是什么时候调用的呢?

在讲解线程池open in new window的时候,我们介绍了getTask方法,工作线程会循环从workQueue中取任务。但计划任务却不同,因为一旦getTask方法取出了任务就开始执行了,而这时可能还没有到执行时间,所以在take方法中,要保证只有到指定的执行时间,任务才可以被取走。

总结一下流程:

  1. 如果堆顶元素为空,在 available 上等待。
  2. 如果堆顶任务的执行时间已到,将堆顶元素替换为堆的最后一个元素并调整堆使其满足最小堆特性,同时设置任务在堆中索引为-1,返回该任务。
  3. 如果 leader 不为空,说明已经有线程成为 leader 了,其他线程都要在 available 监视器上等待。
  4. 如果 leader 为空,当前线程成为新的 leader,并等待直到堆顶任务执行时间到达。
  5. take 方法返回之前,将 leader 设置为空,并通知其他线程。

再来说一下 leader 的作用,这里的 leader 是为了减少不必要的定时等待,当一个线程成为 leader 时,它只等待下一个节点的时间间隔,但其它线程无限期等待。 leader 线程必须在take()poll()返回之前 signal 其它线程,除非其他线程成为了 leader。

举例来说,如果没有 leader,那么在执行 take 时,都要执行available.awaitNanos(delay),假设当前线程执行了该段代码,这时还没有 signal,第二个线程也执行了该段代码,则第二个线程也要被阻塞。

但只有一个线程返回队首任务,其他的线程在awaitNanos(delay)之后,继续执行 for 循环,因为队首任务已经被返回了,所以这个时候的 for 循环拿到的队首任务是新的,又需要重新判断时间,又要继续阻塞。

所以,为了不让多个线程频繁的做无用的定时等待,这里增加了 leader,如果 leader 不为空,则说明队列中第一个节点已经在等待出队,这时其它的线程会一直阻塞,减少了无用的阻塞(注意,在finally中调用了signal()来唤醒一个线程,而不是signalAll())。

offer

该方法往队列插入一个值,返回是否成功插入。

public boolean offer(Runnable x) {
    if (x == null)
      throw new NullPointerException();
    RunnableScheduledFuture e = (RunnableScheduledFuture)x;
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
      int i = size;
      // 队列元素已经大于等于数组的长度,需要扩容,新堆的容量是原来堆容量的1.5倍
      if (i >= queue.length)
        grow();
      // 堆中元素增加1
      size = i + 1;
      // 调整堆
      if (i == 0) {
        queue[0] = e;
        setIndex(e, 0);
      } else {
          // 调整堆,使的满足最小堆,比较大小的方式就是上文提到的compareTo方法
        siftUp(i, e);
      }
      if (queue[0] == e) {
        leader = null;
        // 通知其他在available条件上等待的线程,这些线程可以竞争成为新的leader
        available.signal();
      }
    } finally {
      lock.unlock();
    }
    return true;
}

offer 方法实现了向延迟队列插入一个任务的操作,并保证整个队列仍然满足最小堆的性质。

最小堆(Min Heap)是一个完全二叉树,其中每一个父节点的值都小于或等于其子节点的值。换句话说,在最小堆中,根节点(即树的顶部)是所有节点中的最小值。

前面我们也提到过最小堆。我们来看一下用于调整堆的 siftUp 方法。

private void siftUp(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
    while (k > 0) {
        // 找到父节点的索引
        int parent = (k - 1) >>> 1;
        // 获取父节点
        RunnableScheduledFuture<?> e = queue[parent];
        // 如果key节点的执行时间大于父节点的执行时间,不需要再排序了
        if (key.compareTo(e) >= 0)
            break;
        // 如果key.compareTo(e) < 0,说明key节点的执行时间小于父节点的执行时间,需要把父节点移到后面
        queue[k] = e;
        // 设置索引为k
        setIndex(e, k);
        k = parent;
    }
    // key设置为排序后的位置中
    queue[k] = key;
    setIndex(key, k);
}

代码很好理解,就是循环的根据key节点与它的父节点来判断,如果key节点的执行时间小于父节点,则将两个节点交换,使执行时间靠前的节点排列在队列的前面。

假设新入队的节点的延迟时间(调用getDelay()方法获得)是5,执行过程如下:

1、先将新的节点添加到数组的尾部,这时新节点的索引k为7:

2、计算新父节点的索引:parent = (k - 1) >>> 1,parent = 3,那么queue[3]的时间间隔值为8,因为 5 < 8 ,将执行queue[7] = queue[3]

3、这时将k设置为3,继续循环,再次计算parent为1,queue[1]的时间间隔为3,因为 5 > 3 ,这时退出循环,最终k为3:

可见,每次新增节点时,只是根据父节点来判断,而不会影响兄弟节点。

小结

ScheduledThreadPoolExecutor是一个定时任务的线程池,它的主要作用是周期性的执行任务。它的实现原理是通过DelayedWorkQueue来保存等待的任务,DelayedWorkQueue是一个无界优先队列,使用数组存储,底层使用堆结构来实现优先队列的功能。

编辑:沉默王二,原文内容来源于朋友小七萤火虫开源的这个仓库:深入浅出 Java 多线程open in new window,强烈推荐。其他参考链接如下:

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