死磕java线程系列之线程池深入解析——定时任务执行流程

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注：java源码分析部分如无特殊说明均基于 java8 版本。

注：本文基于ScheduledThreadPoolExecutor定时线程池类。

简介

前面我们一起学习了普通任务、未来任务的执行流程，今天我们再来学习一种新的任务——定时任务。

定时任务是我们经常会用到的一种任务，它表示在未来某个时刻执行，或者未来按照某种规则重复执行的任务。

问题

（1）如何保证任务是在未来某个时刻才被执行？

（2）如何保证任务按照某种规则重复执行？

来个栗子

创建一个定时线程池，用它来跑四种不同的定时任务。

public class ThreadPoolTest03 {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // 创建一个定时线程池
        ScheduledThreadPoolExecutor scheduledThreadPoolExecutor = new ScheduledThreadPoolExecutor(5);

        System.out.println("start: " + System.currentTimeMillis());

        // 执行一个无返回值任务，5秒后执行，只执行一次
        scheduledThreadPoolExecutor.schedule(() -> {
            System.out.println("spring: " + System.currentTimeMillis());
        }, 5, TimeUnit.SECONDS);

        // 执行一个有返回值任务，5秒后执行，只执行一次
        ScheduledFuture future = scheduledThreadPoolExecutor.schedule(() -> {
            System.out.println("inner summer: " + System.currentTimeMillis());
            return "outer summer: ";
        }, 5, TimeUnit.SECONDS);
        // 获取返回值
        System.out.println(future.get() + System.currentTimeMillis());

        // 按固定频率执行一个任务，每2秒执行一次，1秒后执行
        // 任务开始时的2秒后
        scheduledThreadPoolExecutor.scheduleAtFixedRate(() -> {
            System.out.println("autumn: " + System.currentTimeMillis());
            LockSupport.parkNanos(TimeUnit.SECONDS.toNanos(1));
        }, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);

        // 按固定延时执行一个任务，每延时2秒执行一次，1秒执行
        // 任务结束时的2秒后，本文由公从号“彤哥读源码”原创
        scheduledThreadPoolExecutor.scheduleWithFixedDelay(() -> {
            System.out.println("winter: " + System.currentTimeMillis());
            LockSupport.parkNanos(TimeUnit.SECONDS.toNanos(1));
        }, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

定时任务总体分为四种：

（1）未来执行一次的任务，无返回值；

（2）未来执行一次的任务，有返回值；

（3）未来按固定频率重复执行的任务；

（4）未来按固定延时重复执行的任务；

本文主要以第三种为例进行源码解析。

scheduleAtFixedRate()方法

提交一个按固定频率执行的任务。

public ScheduledFuture scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                              long initialDelay,
                                              long period,
                                              TimeUnit unit) {
    // 参数判断
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    if (period <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();

    // 将普通任务装饰成ScheduledFutureTask
    ScheduledFutureTask sft =
        new ScheduledFutureTask(command,
                                      null,
                                      triggerTime(initialDelay, unit),
                                      unit.toNanos(period));
    // 钩子方法，给子类用来替换装饰task，这里认为t==sft
    RunnableScheduledFuture t = decorateTask(command, sft);
    sft.outerTask = t;
    // 延时执行
    delayedExecute(t);
    return t;
}

可以看到，这里的处理跟未来任务类似，都是装饰成另一个任务，再拿去执行，不同的是这里交给了delayedExecute()方法去执行，这个方法是干嘛的呢？

delayedExecute()方法

延时执行。

private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture task) {
    // 如果线程池关闭了，执行拒绝策略
    if (isShutdown())
        reject(task);
    else {
        // 先把任务扔到队列中去
        super.getQueue().add(task);
        // 再次检查线程池状态
        if (isShutdown() &&
            !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
            remove(task))
            task.cancel(false);
        else
            // 保证有足够有线程执行任务
            ensurePrestart();
    }
}
void ensurePrestart() {
    int wc = workerCountOf(ctl.get());
    // 创建工作线程
    // 注意，这里没有传入firstTask参数，因为上面先把任务扔到队列中去了
    // 另外，没用上maxPoolSize参数，所以最大线程数量在定时线程池中实际是没有用的
    if (wc < corePoolSize)
        addWorker(null, true);
    else if (wc == 0)
        addWorker(null, false);
}

到这里就结束了？！

实际上，这里只是控制任务能不能被执行，真正执行任务的地方在任务的run()方法中。

还记得上面的任务被装饰成了ScheduledFutureTask类的实例吗？所以，我们只要看ScheduledFutureTask的run()方法就可以了。

ScheduledFutureTask类的run()方法

定时任务执行的地方。

public void run() {
    // 是否重复执行
    boolean periodic = isPeriodic();
    // 线程池状态判断
    if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
        cancel(false);
    // 一次性任务，直接调用父类的run()方法，这个父类实际上是FutureTask
    // 这里我们不再讲解，有兴趣的同学看看上一章的内容
    else if (!periodic)
        ScheduledFutureTask.super.run();
    // 重复性任务，先调用父类的runAndReset()方法，这个父类也是FutureTask
    // 本文主要分析下面的部分
    else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
        // 设置下次执行的时间
        setNextRunTime();
        // 重复执行，本文由公从号“彤哥读源码”原创
        reExecutePeriodic(outerTask);
    }
}

可以看到，对于重复性任务，先调用FutureTask的runAndReset()方法，再设置下次执行的时间，最后再调用reExecutePeriodic()方法。

FutureTask的runAndReset()方法与run()方法类似，只是其任务运行完毕后不会把状态修改为NORMAL，有兴趣的同学点进源码看看。

再来看看reExecutePeriodic()方法。

void reExecutePeriodic(RunnableScheduledFuture task) {
    // 线程池状态检查
    if (canRunInCurrentRunState(true)) {
        // 再次把任务扔到任务队列中
        super.getQueue().add(task);
        // 再次检查线程池状态
        if (!canRunInCurrentRunState(true) && remove(task))
            task.cancel(false);
        else
            // 保证工作线程足够
            ensurePrestart();
    }
}

到这里是不是豁然开朗了，原来定时线程池执行重复任务是在任务执行完毕后，又把任务扔回了任务队列中。

重复性的问题解决了，那么，它是怎么控制任务在某个时刻执行的呢？

OK，这就轮到我们的延时队列登场了。

DelayedWorkQueue内部类

我们知道，线程池执行任务时需要从任务队列中拿任务，而普通的任务队列，如果里面有任务就直接拿出来了，但是延时队列不一样，它里面的任务，如果没有到时间也是拿不出来的，这也是前面分析中一上来就把任务扔进队列且创建Worker没有传入firstTask的原因。

说了这么多，它到底是怎么实现的呢？

其实，延时队列我们在前面都详细分析过，想看完整源码分析的可以看看之前的《死磕 java集合之DelayQueue源码分析》。

延时队列内部是使用“堆”这种数据结构来实现的，有兴趣的同学可以看看之前的《拜托，面试别再问我堆（排序）了！》。

我们这里只拿一个take()方法出来分析。

public RunnableScheduledFuture take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            // 堆顶任务
            RunnableScheduledFuture first = queue[0];
            // 如果队列为空，则等待
            if (first == null)
                available.await();
            else {
                // 还有多久到时间
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                // 如果小于等于0，说明这个任务到时间了，可以从队列中出队了
                if (delay <= 0)
                    // 出队，然后堆化
                    return finishPoll(first);
                // 还没到时间
                first = null;
                // 如果前面有线程在等待，直接进入等待
                if (leader != null)
                    available.await();
                else {
                    // 当前线程作为leader
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        // 等待上面计算的延时时间，再自动唤醒
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                        // 唤醒后再次获得锁后把leader再置空
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && queue[0] != null)
            // 相当于唤醒下一个等待的任务
            available.signal();
        // 解锁，本文由公从号“彤哥读源码”原创
        lock.unlock();
    }
}

大致的原理是，利用堆的特性获取最快到时间的任务，即堆顶的任务：

（1）如果堆顶的任务到时间了，就让它从队列中了队；

（2）如果堆顶的任务还没到时间，就看它还有多久到时间，利用条件锁等待这段时间，待时间到了后重新走（1）的判断；

这样就解决了可以在指定时间后执行任务。

其它

其实，ScheduledThreadPoolExecutor也是可以使用execute()或者submit()提交任务的，只不过它们会被当成0延时的任务来执行一次。

public void execute(Runnable command) {
    schedule(command, 0, NANOSECONDS);
}
public  Future submit(Callable task) {
    return schedule(task, 0, NANOSECONDS);
}

总结

实现定时任务有两个问题要解决，分别是指定未来某个时刻执行任务、重复执行。

（1）指定某个时刻执行任务，是通过延时队列的特性来解决的；

（2）重复执行，是通过在任务执行后再次把任务加入到队列中来解决的。

彩蛋

到这里基本上普通的线程池的源码解析就结束了，这种线程池是比较经典的实现方式，整体上来说，效率相对不是特别高，因为所有的工作线程共用同一个队列，每次从队列中取任务都要加锁解锁操作。

那么，能不能给每个工作线程配备一个任务队列呢，在提交任务的时候就把任务分配给指定的工作线程，这样在取任务的时候就不需要频繁的加锁解锁了。

答案是肯定的，下一章我们一起来看看这种基于“工作窃取”理论的线程池——ForkJoinPool。