深入剖析Java计划任务ScheduledThreadPoolExecutor

沉默王二约 4369 字大约 15 分钟

自JDK 1.5 开始，JDK提供了ScheduledThreadPoolExecutor类用于计划任务（又称定时任务），这个类有两个用途：

在给定的延迟之后运行任务
周期性重复执行任务

在这之前，是使用Timer类来完成定时任务的，但是Timer有缺陷：

Timer是单线程模式；
如果在执行任务期间某个TimerTask耗时较久，那么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，所以一旦出现异常，则线程就会终止，其他任务也得不到执行。

所以JDK 1.5之后，大家就摒弃Timer,使用ScheduledThreadPoolExecutor吧。

使用案例

假设我有一个需求，指定时间给大家发送消息。那么我们会将消息（包含发送时间）存储在数据库中，然后想用一个定时任务，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写？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;
    }
}

下面截取前面的输出（这个demo会一直运行下去）：

2019-01-23 16:16:48
大家注意了，我要发消息了
2019-01-23 16:16:49
大家注意了，我要发消息了
2019-01-23 16:16:50
大家注意了，我要发消息了
2019-01-23 16:16:51
大家注意了，我要发消息了
2019-01-23 16:16:52
大家注意了，我要发消息了
2019-01-23 16:16:53
大家注意了，我要发消息了
2019-01-23 16:16:54
大家注意了，我要发消息了
2019-01-23 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，想要知道奥秘，接下来的东西需要仔细的看哦。

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ThreadPoolExecutor，实现了ScheduledExecutorService。线程池在之前的章节介绍过了，我们先看看ScheduledExecutorService。

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {
    
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,long delay, TimeUnit unit);
    
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,long delay, TimeUnit unit);
    
    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);
    
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);
}

ScheduledExecutorService实现了ExecutorService ,并增加若干定时相关的接口。前两个方法用于单次调度执行任务，区别是有没有返回值。

重点理解一下后面两个方法：

scheduleAtFixedRate
该方法在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再次启动任务。
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。

主要方法介绍

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ScheduledFuture、 RunnableScheduledFuture、 ScheduledFutureTask的关系：

我们先看看这几个接口和类：

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> {
}

没有添加其他方法。

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的对象，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：

如果当前线程池运行状态不可以执行任务，取消该任务，然后直接返回，否则执行步骤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；
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；
计算下次执行该任务的具体时间；
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，维持任务的状态为初始状态（NEW状态），这也是该方法和FutureTask的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

FixedDelay也是通过ScheduledFutureTask体现的，唯一不同的地方在于创建的ScheduledFutureTask不同。这里不再展示源码。

delayedExecute

前面讲到的schedule、scheduleAtFixedRate和scheduleWithFixedDelay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，线程池中的工作线程是通过该方法来启动并执行任务的。具体可以查看前面讲的线程池章节。

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

因为ScheduledThreadPoolExecutor使用了DelayedWorkQueue保存等待的任务，该等待队列队首应该保存的是最近将要执行的任务，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

ScheduledThreadPoolExecutor使用了DelayedWorkQueue保存等待的任务。

该等待队列队首应该保存的是最近将要执行的任务，所以worker只关心队首任务即可，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，底层是使用堆结构来实现优先队列的功能。我们先看看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，它只要等待队首任务的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时，leader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。

同时，定义了锁lock和监视器available用于线程竞争成为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。

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？在线程池的章节中，介绍了getTask方法，工作线程会循环地从workQueue中取任务。但计划任务却不同，因为如果一旦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的时间，所以在take方法中，要保证只有在到指定的执行时间的时候任务才可以被取走。

总结一下流程：

如果堆顶元素为空，在available条件上等待。
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。
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。
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。
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线程必须在从take()或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;
}

在堆中插入了一个节点，这个时候堆有可能不满足最小堆的定义，siftUp用于将堆调整为最小堆，这属于数据结构的基本内容，本文不做介绍。

总结

内部使用优化的DelayQueue来实现，由于使用队列来实现定时器，有出入队调整堆等操作，所以定时并不是非常非常精确。

编辑：沉默王二，内容大部分来源以下三个开源仓库：
深入浅出 Java 多线程open in new window
并发编程知识总结open in new window
Java八股文open in new window

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深入剖析Java计划任务ScheduledThreadPoolExecutor

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