【任务调度系统第四篇】：Quartz的原理

1. 引言

XXL Job和azkaban的任务调度功能都是基于quartz来开发的，并且Spring也集成了Quartz模块。 所以如果想深入了解调度原理，那其实有必要先对Quartz做一番较深入地了解。

Quartz 的github： https://github.com/quartz-scheduler/quartz

2. Quartz概述

2.1. 可以用来做什么

Quartz是一个任务调度框架，当遇到以下问题时：

• 想在每月25号，自动还款；
• 想在每年4月1日给当年自己暗恋的女神发一封匿名贺卡；
• 想每隔1小时，备份一下自己的各种资料。

那么总结起来就是，在一个有规律的时间点做一些事情，并且这个规律可以非常复杂，复杂到了需要一个框架来帮助我们。Quartz的出现就是为了解决这个问题，定义一个触发条件，那么其负责到了特定的时间点，触发相应的job干活。

2.2. 特点

• 强大的调度功能，例如丰富多样的调度方法，可以满足各种常规和特殊需求；
• 灵活的应用方式，比如支持任务调度和任务的多种组合，支持数据的多种存储（DB，RAM等；
• 支持分布式集群，在被Terracotta收购之后，在原来基础上进行了进一步的改造。

3. quartz基本原理

3.1. 核心元素

Quartz核心要素有Scheduler、Trigger、Job、JobDetail，其中trigger和job、jobDetail为元数据，而Scheduler为实际进行调度的控制器。

• Trigger
  Trigger用于定义调度任务的时间规则，在Quartz中主要有四种类型的Trigger：SimpleTrigger、CronTrigger、DataIntervalTrigger和NthIncludedTrigger。

  trigger状态：WAITING，ACQUIRED，EXECUTING，COMPLETE，BLOCKED，ERROR，PAUSED，PAUSED_BLOCKED，DELETED。

• Job&Jodetail
  Quartz将任务分为Job、JobDetail两部分，其中Job用来定义任务的执行逻辑，而JobDetail用来描述Job的定义（例如Job接口的实现类以及其他相关的静态信息）。对Quartz而言，主要有两种类型的Job，StateLessJob、StateFulJob

• Scheduler
  实际执行调度逻辑的控制器，Quartz提供了DirectSchedulerFactory和StdSchedulerFactory等工厂类，用于支持Scheduler相关对象的产生。

3.2. 核心元素间关系

• scheduler由工厂类SchedulerFactory创建，主要负责job和trigger的持久化管理，包括新增、删除、修改、触发、暂停、恢复调度、停止调度等；

• 一个job可以关联多个trigger，但是一个trigger只能关联一个job。

3.3. 主要线程

负责任务调度的几个线程：

1. 任务执行线程池：通常使用一个线程池(SimpleThreadPool)维护一组线程，负责实际每个job的执行。
2. Scheduler调度线程QuartzSchedulerThread ：轮询存储的所有 trigger，如果有需要触发的 trigger，即到达了下一次触发的时间，则从任务执行线程池获取一个空闲线程，执行与该 trigger 关联的任务。
3. 处理misfire job的线程MisfireHandler：轮训所有misfire的trigger，原理就是从数据库中查询所有下次触发时间小于当前时间的trigger，按照每个trigger设定的misfire策略处理这些trigger。

3.4. 数据存储

Quartz中的trigger和job需要存储下来才能被使用。Quartz中有两种存储方式：RAMJobStore,JobStoreSupport，其中RAMJobStore是将trigger和job存储在内存中，而JobStoreSupport是基于jdbc将trigger和job存储到数据库中。RAMJobStore的存取速度非常快，但是由于其在系统被停止后所有的数据都会丢失，所以在集群应用中，必须使用JobStoreSupport。其中表结构如下表所示。

Table name	Description
QRTZ_CALENDARS	存储Quartz的Calendar信息
QRTZ_CRON_TRIGGERS	存储CronTrigger，包括Cron表达式和时区信息
QRTZ_FIRED_TRIGGERS	存储与已触发的Trigger相关的状态信息，以及相联Job的执行信息
QRTZ_PAUSED_TRIGGER_GRPS	存储已暂停的Trigger组的信息
QRTZ_SCHEDULER_STATE	存储少量的有关Scheduler的状态信息，和别的Scheduler实例
QRTZ_LOCKS	存储程序的悲观锁的信息
QRTZ_JOB_DETAILS	存储每一个已配置的Job的详细信息
QRTZ_SIMPLE_TRIGGERS	存储简单的Trigger，包括重复次数、间隔、以及已触的次数
QRTZ_BLOG_TRIGGERS	Trigger作为Blob类型存储
QRTZ_TRIGGERS	存储已配置的Trigger的信息
QRTZ_SIMPROP_TRIGGERS

QRTZ_LOCKS就是Quartz集群实现同步机制的行锁表，例如scheduler集群下的锁。

4. quartz集群原理

Quartz的集群模式指的是一个集群下多个节点管理同一批任务的调度，通过共享数据库的方式实现，保证同一个任务到达触发时间的时候，只有一台机器去执行该任务。每个节点部署一个单独的quartz实例，相互之间没有直接数据通信。

4.1. Quartz集群容易存在的问题

因为我们的定时任务都加载在内存中的，每个集群节点中的调度器都会去执行，这就会存在重复执行和资源竞争的问题，那么如何来解决这样的问题呢。

4.2. 解决方案

通过排它锁的方式：当某个节点的主线程获取对某个任务的执行权之后，数据库对该行ROW LOCK，若此时，另外一个线程使用相同的SQL对表的数据进行查询，由于查询出的数据行已经被数据库锁住了，此时这个线程就只能等待，直到拥有该行锁的线程完成了相关的业务操作，执行了commit动作后，数据库才会释放了相关行的锁，这个线程才能继续执行。这样就保证了同一个集群下，只有一个quartz实例获取需要执行的trigger。所以，主线程QuartzSchedulerThread 就是不断查询需要触发的trigger，获取trigger，执行trigger关联的任务，释放trigger。

5. quartz主要流程

5.1. 启动流程

若quartz是配置在spring中，当服务器启动时，就会装载相关的bean。SchedulerFactoryBean实现了InitializingBean接口，因此在初始化bean的时候，会执行afterPropertiesSet方法，该方法将会调用SchedulerFactory(DirectSchedulerFactory 或者 StdSchedulerFactory，通常用StdSchedulerFactory)创建Scheduler。SchedulerFactory在创建quartzScheduler的过程中，将会读取配置参数，初始化各个组件，关键组件如下：

1. ThreadPool:一般是使用SimpleThreadPool,SimpleThreadPool创建了一定数量的WorkerThread实例来使得Job能够在线程中进行处理。WorkerThread是定义在SimpleThreadPool类中的内部类，它实质上就是一个线程。在SimpleThreadPool中有三个list：workers-存放池中所有的线程引用，availWorkers-存放所有空闲的线程，busyWorkers-存放所有工作中的线程；
   线程池的配置参数如下所示：

org.quartz.threadPool.class=org.quartz.simpl.SimpleThreadPool
org.quartz.threadPool.threadCount=3
org.quartz.threadPool.threadPriority=5

2. JobStore:分为存储在内存的RAMJobStore和存储在数据库的JobStoreSupport(包括JobStoreTX和JobStoreCMT两种实现，JobStoreCMT是依赖于容器来进行事务的管理，而JobStoreTX是自己管理事务），若要使用集群要使用JobStoreSupport的方式；

3. QuartzSchedulerThread:用来进行任务调度的线程，在初始化的时候paused=true,halted=false,虽然线程开始运行了，但是paused=true，线程会一直等待，直到start方法将paused置为false；

另外，SchedulerFactoryBean还实现了SmartLifeCycle接口，因此初始化完成后，会执行start()方法，该方法将主要会执行以下的几个动作：

• 创建ClusterManager线程并启动线程:该线程用来进行集群故障检测和处理，将在下文详细讨论；
• 创建MisfireHandler线程并启动线程:该线程用来进行misfire任务的处理，将在下文详细讨论；
• 置QuartzSchedulerThread的paused=false，调度线程才真正开始调度；

5.2. QuartzSchedulerThread线程

QuartzSchedulerThread线程是实际执行任务调度的线程，其中主要代码如下。

while (!halted.get()) {
    int availThreadCount = qsRsrcs.getThreadPool().blockForAvailableThreads();
    triggers = qsRsrcs.getJobStore().acquireNextTriggers(now + idleWaitTime,
            Math.min(availThreadCount, qsRsrcs.getMaxBatchSize()), qsRsrcs.getBatchTimeWindow());
    long triggerTime = triggers.get(0).getNextFireTime().getTime();
    long timeUntilTrigger = triggerTime - now;
    while (timeUntilTrigger > 2) {
        now = System.currentTimeMillis();
        timeUntilTrigger = triggerTime - now;
    }
    List<TriggerFiredResult> bndle = qsRsrcs.getJobStore().triggersFired(triggers);
    for (int i = 0; i < res.size(); i++) {
        JobRunShell shell = qsRsrcs.getJobRunShellFactory().createJobRunShell(bndle);
        shell.initialize(qs);
        qsRsrcs.getThreadPool().runInThread(shell);
    }
}

1. 先获取线程池中的可用线程数量（若没有可用的会阻塞，直到有可用的）；
2. 获取30m内要执行的trigger(即acquireNextTriggers)：
   获取trigger的锁，通过select …for update方式实现；获取30m内（可配置）要执行的triggers（需要保证集群节点的时间一致），若@ConcurrentExectionDisallowed且列表存在该条trigger则跳过，否则更新trigger状态为ACQUIRED(刚开始为WAITING)；插入firedTrigger表，状态为ACQUIRED;（注意：在RAMJobStore中，有个timeTriggers，排序方式是按触发时间nextFireTime排的；JobStoreSupport从数据库取出triggers时是按照nextFireTime排序）;
3. 等待直到获取的trigger中最先执行的trigger在2ms内；
4. triggersFired：
   1. 更新firedTrigger的status=EXECUTING;
   2. 更新trigger下一次触发的时间；
   3. 更新trigger的状态：无状态的trigger->WAITING，有状态的trigger->BLOCKED，若nextFireTime==null ->COMPLETE；
   4. commit connection,释放锁；
5. 针对每个要执行的trigger，创建JobRunShell，并放入线程池执行：
   1. execute:执行job
   2. 获取TRIGGER_ACCESS锁
   3. 若是有状态的job：更新trigger状态：BLOCKED->WAITING,PAUSED_BLOCKED->BLOCKED
   4. 若@PersistJobDataAfterExecution，则updateJobData
   5. 删除firedTrigger
   6. commit connection，释放锁

5.3. MisfireHandler线程

下面这些原因可能造成 misfired job:

1. 系统因为某些原因被重启。在系统关闭到重新启动之间的一段时间里，可能有些任务会被 misfire；
2. Trigger 被暂停（suspend）的一段时间里，有些任务可能会被 misfire；
3. 线程池中所有线程都被占用，导致任务无法被触发执行，造成 misfire；
4. 有状态任务在下次触发时间到达时，上次执行还没有结束；为了处理 misfired job，Quartz 中为 trigger 定义了处理策略，主要有下面两种：
   • MISFIRE_INSTRUCTION_FIRE_ONCE_NOW：针对 misfired job 马上执行一次；
   • MISFIRE_INSTRUCTION_DO_NOTHING：忽略 misfired job，等待下次触发；默认是

6. 注意问题

6.1. 时间同步问题

Quartz实际并不关心你是在相同还是不同的机器上运行节点。当集群放置在不同的机器上时，称之为水平集群。节点跑在同一台机器上时，称之为垂直集群。对于垂直集群，存在着单点故障的问题。这对高可用性的应用来说是无法接受的，因为一旦机器崩溃了，所有的节点也就被终止了。对于水平集群，存在着时间同步问题。

节点用时间戳来通知其他实例它自己的最后检入时间。假如节点的时钟被设置为将来的时间，那么运行中的Scheduler将再也意识不到那个结点已经宕掉了。另一方面，如果某个节点的时钟被设置为过去的时间，也许另一节点就会认定那个节点已宕掉并试图接过它的Job重运行。最简单的同步计算机时钟的方式是使用某一个Internet时间服务器(Internet Time Server ITS)。

6.2. 节点争抢Job问题

因为Quartz使用了一个随机的负载均衡算法，Job以随机的方式由不同的实例执行。Quartz官网上提到当前，还不存在一个方法来指派(钉住) 一个 Job 到集群中特定的节点。

6.3. 从集群获取Job列表问题

当前，如果不直接进到数据库查询的话，还没有一个简单的方式来得到集群中所有正在执行的Job列表。请求一个Scheduler实例，将只能得到在那个实例上正运行Job的列表。Quartz官网建议可以通过写一些访问数据库JDBC代码来从相应的表中获取全部的Job信息。

参考：
7. https://www.cnblogs.com/Dorae/p/9357180.html
8. https://blog.csdn.net/ym123456677/article/details/80506850