前言
ScheduledThreadPoolExecutor是一种带有延迟，定时执行任务的线程池。它在很多延时任务、定时任务的场景中有丰富的应用场景。今天就来分析下它的实现原理吧。
实现原理
先看看类图结构：
public class ScheduledThreadPoolExecutor
extends ThreadPoolExecutor
implements ScheduledExecutorService {
}它继承了ThreadPoolExecutor类并实现了ScheduledExecutorService接口。其中ScheduledExecutorService继承了ExecutorService，并提供了schedule相关的方法：
// 经过delay延迟时间后，执行command任务
public ScheduledFuture schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit);
// 经过delay延迟时间后，执行callable任务
public ScheduledFuture schedule(Callable callable, long delay, TimeUnit unit);
// 经过initialDelay延迟后，以period的周期时长周期性的执行command任务。
// （来自官方注释）注意：
// 1.如果某次任务抛出了异常，后续的周期任务不会被执行。
// 2.如果某次任务执行时长超过了period周期，那么下一个周期到来时，不会执行新的一轮任务，而是往后推迟，
// 等到当前任务执行完后再执行，以此来保证多次任务不会并发执行。
public ScheduledFuture scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay,
long period, TimeUnit unit);
// 经过initialDelay延迟后，执行任务command，然后每次等任务执行完毕后，延迟delay时长再执行新的一轮任务。
public ScheduledFuture scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay,
long delay, TimeUnit unit); 其中scheduleAtFixedRate和scheduleWithFixedDelay容易混淆，这里再说明下它们的区别：
fixed-rate执行时机：initialDelay + n * period (n >= 0的整数)
fixed-delay执行时机：initialDelay, (task1 end time + delay), (task2 end time + delay), ... (taskN end time + delay)
由ScheduledExecutorService接口还可以看到，这几个方法的返回值都为ScheduledFuture。它的结构如下：
public interface ScheduledFuture extends Delayed, Future {
} 它继承了Delayed和Future接口。Delayed中有个getDelay()方法获取剩余延时。Future大家应该都比较熟悉，它用来表示任务的异步执行结果，可以通过Future.get()或Future.isDone()系列方法判断任务的执行情况和结果。
FutureTask是Future的一个常见实现类，它内部有个state变量代表任务的执行状态。
private volatile int state;
private static final int NEW = 0; // 初始状态
private static final int COMPLETING = 1; // 执行中
private static final int NORMAL = 2; // 正常运行结束
private static final int EXCEPTIONAL = 3; // 运行中发生异常
private static final int CANCELLED = 4; // 任务被取消
private static final int INTERRUPTING = 5; // 任务正在被中断
private static final int INTERRUPTED = 6; // 任务已经被中断根据官方注释，可能的状态转换如下：
// Possible state transitions:
NEW -> COMPLETING -> NORMAL
NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
NEW -> CANCELLED
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED
ScheduledFutureTask继承了FutureTask，也是ScheduledFuture接口的实现类，它内部还用了period来表示周期类型。
根据官方注释，period的值代表含义如下。
period > 0，表示fixed-rate类型的周期任务。
period < 0，表示fixed-delay类型的周期任务。
period = 0，表示非周期性任务，即一次性任务。
(ps:这里个人感觉period设计的扩展性不够好，如果后续JDK版本想再加一种新的周期类型，period的值该如何表示呢？
我觉得可以换成枚举值的形式)
有了上述背景知识，再来看关键方法，就会轻松许多了。
1.构造方法：
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS, new DelayedWorkQueue());
}可以看到，它使用的阻塞队列为DelayedWorkQueue，它是ScheduledThreadPoolExecutor的内部类，功能和DelayedQueue类似，也实现了BlockingQueue接口，因此可以用于线程池中。
2.schedule()方法:
public ScheduledFuture schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) {
// 任务不能为空
if (command == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
// 任务装饰和转换
RunnableScheduledFuture t = decorateTask(command,
// triggerTime是获取任务触发(执行)时间戳
new ScheduledFutureTask(command, null, triggerTime(delay, unit)));
// 添加任务到执行队列去执行
delayedExecute(t);
return t;
} 其中 new ScheduledFutureTask(...)代码如下：
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns) {
// 调用父类FutureTask构造函数初始化state=NEW
super(r, result);
// 初始化任务触发时间
this.time = ns;
// 一次性任务
this.period = 0;
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}其中decorateTask目前在ScheduledThreadPoolExecutor类实现中只是简单返回了task本身，但它是protected修饰的，允许我们自定义的子类去覆写这个方法，完成任务的装饰和修改逻辑。
protected RunnableScheduledFuture decorateTask(
Runnable runnable, RunnableScheduledFuture task) {
return task;
} 再来看delayedExecute()方法代码：
private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture task) {
// 线程池一关闭，执行拒绝策略
if (isShutdown())
reject(task);
else {
// 将任务添加到阻塞队列中，DelayedWorkQueue，队首元素是延迟时间最短的元素
super.getQueue().add(task);
// 再次检查线程池状态，如果不能运行，从队列中移除任务，并取消任务
if (isShutdown() &&
!canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
remove(task))
task.cancel(false);
// 确保线程池中至少有一个线程在处理任务
else ensurePrestart();
}
}其中ensurePrestart代码如下：
void ensurePrestart() {
int wc = workerCountOf(ctl.get());
// 增加核心线程数
if (wc < corePoolSize)
addWorker(null, true);
// 当前线程数为0，也添加一个线程
else if (wc == 0)
addWorker(null, false);
}上面分析了任务如何被放入阻塞队列中，接下来分析下工作线程如何从队列中获取任务并执行。由ThreadPoolExecutor可以知道，Worker负责从工作队列中循环获取任务，并调用它的run()方法，这里的任务Runnable被包装成了ScheduledFutureTask，它重写了run()，所以需要看它的逻辑：
public void run() {
// 是否周期性任务
boolean periodic = isPeriodic();
// 当前线程池状态不能运行任务，则取消任务
if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
cancel(false);
// 如果是一次性任务(调用schedule()会走这个分支)，调用父类FutureTask的run()
else if (!periodic)
ScheduledFutureTask.super.run();
// 如果是周期性任务(调用scheduleAtFixedRate或scheduleWithFixedDelay会走这个分支)
else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
// 设置下一次执行时机
setNextRunTime();
// 重新加入队列中，周期执行
reExecutePeriodic(outerTask);
}
}其中，FutureTask的run()代码如下：
public void run() {
// 如果任务状态不为NEW或者CAS设置执行线程为当前线程失败，则返回
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread()))
return;
try {
Callable c = callable;
// 再次检查任务状态是否为NEW
if (c != null && state == NEW) {
V result;
boolean ran;
try {
// 调用目标任务Callable，获得返回值result
result = c.call();
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
result = null;
ran = false;
// 任务执行过程中发生异常，设置异常结果
setException(ex);
}
// 任务正常运行结束，设置正常结果
if (ran)
set(result);
}
} finally {
// runner must be non-null until state is settled to
// prevent concurrent calls to run() runner = null;
// state must be re-read after nulling runner to prevent
// leaked interrupts
int s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
} 其中set(result)和setException(ex)代码如下：
protected void set(V v) {
// CAS设置任务状态从NEW -> COMPLETING
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
// 设置结果
outcome = v;
// 设置任务状态为正常结束，这里使用putOrderedInt效率会比putIntVolatile高些
// 且这里不要求设置的NORMAL状态对其它线程立即可见。
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
finishCompletion();
}
}// 和上面set()类似，不做赘述
protected void setException(Throwable t) {
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
outcome = t;
UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
finishCompletion();
}
}3.scheduleWithFixedDelay()
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();
ScheduledFutureTask sft =
new ScheduledFutureTask(command,null, triggerTime(initialDelay, unit), unit.toNanos(-delay));
RunnableScheduledFuture t = decorateTask(command, sft);
sft.outerTask = t;
delayedExecute(t);
return t;
} 大体框架和schedule类似，但需要注意的是new ScheduledFutureTask(...)的区别，这里多传了个unit.toNanos(-delay)参数。它的period值为-delay，前面提到period < 0时，代表fixed-delay类型的周期任务。
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
super(r, result);
this.time = ns;
this.period = period;
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}这时回到我们上面分析的ScheduledFutureTask的run()，会走这个if分支。
// 运行并重置
else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
// 设置下一次执行时机
setNextRunTime();
// 重新加入队列中，周期执行
reExecutePeriodic(outerTask);
}其中runAndReset()代码如下：
protected boolean runAndReset() {
if (state != NEW ||
!UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread()))
return false;
boolean ran = false;
int s = state;
try {
Callable c = callable;
if (c != null && s == NEW) {
try {
c.call(); // don't set result
ran = true;
} catch (Throwable ex) {
setException(ex);
}
}
} finally {
// runner must be non-null until state is settled to
// prevent concurrent calls to run() runner = null;
// state must be re-read after nulling runner to prevent
// leaked interrupts
s = state;
if (s >= INTERRUPTING)
handlePossibleCancellationInterrupt(s);
}
// 任务是否正常运行且状态为NEW
return ran && s == NEW;
} 它的逻辑和run()类似，只不过它没有获取c.call()运行结果，也没有设置任务状态为NORMAL正常结束，目的是使得任务成为可重复执行的。
再来看setNextRunTime()方法：
private void setNextRunTime() {
long p = period;
// fixed-rate类型
if (p > 0)
time += p;
// fixed-delay类型（注意能进入setNextRunTime()的前提条件是period != 0）
// 这里由于p为负数，所以需要延迟-p时间执行（time = now + delay）
else time = triggerTime(-p);
}其中reExecutePeriodic()如下
void reExecutePeriodic(RunnableScheduledFuture task) {
if (canRunInCurrentRunState(true)) {
// 重新将任务加入队列中
super.getQueue().add(task);
// 检查线程池状态
if (!canRunInCurrentRunState(true) && remove(task))
task.cancel(false);
// 确保至少一个线程在执行
else ensurePrestart();
}
}4.scheduleAtFixedRate()
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();
ScheduledFutureTask sft = new ScheduledFutureTask(command, null, triggerTime(initialDelay, unit),
unit.toNanos(period));
RunnableScheduledFuture t = decorateTask(command, sft);
sft.outerTask = t;
delayedExecute(t);
return t;
} 可以看到，它和scheduleWithFixedDelay()相似，不同点在于传递的period参数是unit.toNanos(period)，而不是unit.toNanos(-delay),因为fixed-rate类型的period > 0.
所以，在执行setNextRunTime()方法时，会执行time += p，而不是time = triggerTime(-p).
总结
本文讲述了ScheduledThreadPoolExecutor的原理，内部使用DelayedWorkQueue存放任务，fixed-delay类型保证任务多次执行之间间隔固定时间，fixed-rate类型保证按照固定频率执行任务。