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javaEE 初阶 — 定时器

文章目录

定时器
- 1 什么是定时器
- 2 标准库中定时器
- 3 实现一个定时器
- - 3.1 实现的思路
  - 3.2 为什么要使用优先级队列来保存任务
  - 3.3 开始实现

定时器

1 什么是定时器

定时器 类似于一个 “闹钟”，达到一个设定的时间之后，就执行某个指定好的代码。

定时器是一种实际开发中非常常用的组件。

比如网络通信中，如果对方 500ms 内没有返回数据，则断开连接尝试重连。
比如一个 Map，希望里面的某个 key 在 3s 之后过期(自动删除)。

类似于这样的场景就需要用到定时器。

2 标准库中定时器

Timer 这个类就是标准库的定时器

 Timer timer = new Timer();

定时器使用

package thread;

import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;

public class ThreadDemo4 {

    public static void main(String[] args) {
        // Timer 这个类就是标准库的定时器
        System.out.println("程序启动！");
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("定时器任务启动");
            }
        },5000); //5000毫秒后执行 run 方法中的任务
    }
}

在等待了5000毫秒后，就执行了定时器的任务。

schedule 这个方法的效果是给定时器注册一个任务。
但是这个任务不会立即执行，而是在指定时间进行执行。

3 实现一个定时器

3.1 实现的思路

1、让被注册的任务能够在指定时间被执行

单独在定时器内部搞个线程，让这个线程周期性的扫描，判定任务是否到时间了。
如果到时间了，就执行；没到时间就等等。

2、一个定时器是可以注册多个任务的，这多个任务会按照约定时间按顺序执行

这里的多个任务需要使用 优先级队列 来保存。

3.2 为什么要使用优先级队列来保存任务

定时器里的每一个任务都是带有 “时间” 概念的，也就是多长时间过后就执行。
可以肯定的是，时间越靠前的越先执行。

可以把时间小的，作为优先级最高。
此时的队首元素就是整个队列中最要先执行的任务。

此时只需要扫描线程扫描队首元素即可，而不必遍历整个队列。
因为如果队首元素还没到执行的时间，后续的元素就更不可能到执行的时间。

3.3 开始实现

1、我们可以使用标准库中带有阻塞功能的优先级队列： PriorityBlockingQueue 来保存
要执行的任务。

定义一个类来表示我们要执行的任务和执行的时间

//表示定时器中的任务
class MyTask {
    //任务执行的内容
    private Runnable runnable;

    //执行的时间 - 毫秒时间戳表示
    private Long time;

    //构造方法
    public MyTask(Runnable runnable, Long time) {
        this.runnable = runnable;
        this.time = time;
    }

    //获取当前任务的时间
    public Long getTime() {
        return time;
    }

    //执行任务
    public void run() {
        runnable.run();
    }
}

此时 MyTask 就是要保存在 PriorityBlockingQueue 中的任务

class MyTimer {
    //扫描线程
    private Thread search = null;

    //保存任务的阻塞优先级队列
    private PriorityBlockingQueue<MyTask> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
}

2、定时器类需要注册一个 “schedule” 方法来注册任务

我们期望这里保存的是一个 绝对时间，而 after 是一个像 1000ms 这样的毫秒级时间，
一个时间间隔。

所以需要使用当前的时间戳加上 System.currentTimeMillis() 得到一个是在什么时间去执行的标准时间戳。

//第一个参数是任务内容
//第二个参数是任务在多少毫秒之后执行
public void schedule(Runnable runnable, Long after) {
    //注意这里的时间换算
    MyTask task = new MyTask(runnable, System.currentTimeMillis() + after);
    queue.put(task); //填到队列当中
}

3、如何实现扫描线程的主要逻辑

1、因为使用的是 优先级队列，所以这里只要取出队首元素即可。

  MyTask myTask = queue.take();

2、计算出当前的时间

 Long curTime = System.currentTimeMillis();

3、如果到了执行任务的时间就执行，没到就把任务重新塞回队列中

 if (curTime < myTask.getTime()) {
     // 要把任务塞回到队列中
     queue.put(myTask);
 } else { // 到执行任务时间了
     // 执行任务
     myTask.run();
 }

完整代码

 //构造方法里创建一个线程
 public MyTimer() {
     search = new Thread(() -> {
         while (true) {
             try {
                 // 取出队首元素，检查队首元素任务是否到时间了
                 // 如果没到时间，就把任务重新放到队列中
                 // 如果到时间了，就执行任务
                 MyTask myTask = queue.take(); //拿出队首元素
                 long curTime = System.currentTimeMillis(); //计算当前的时间
                 // 还没到执行的时间
                 if (curTime < myTask.getTime()) {
                     // 要把任务塞回到队列中
                     queue.put(myTask);
                 } else { // 到执行任务时间了
                     // 执行任务
                     myTask.run();
                 }

             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }
     });
     search.start();
 }

上述代码存在的两个问题

1、没有指定 MyTask 怎么比较优先级

现在执行两个任务看一下状况

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
     MyTimer myTimer = new MyTimer();
     myTimer.schedule(new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
             System.out.println("任务1");
         }
     }, 1000);

     myTimer.schedule(new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
             System.out.println("任务2");
         }
     }, 2000);
 }

Comparable 用来描述比较规则的接口，这里提示我们还没有描述规则的 Comparable 接口。

可以让 MyTask 类实现 Comparable 接口
或者也可以使用 Comparable 单独写一 个比较器。

下面是实现一个 Comparable

class MyTask implements Comparable<MyTask> {
    @Override
    public int compareTo(MyTask o) {
        // 这里会返回 <0 >0 =0 三种结果
        // this 比 o 小 返回 <0
        // this 比 o 大 返回 >0
        // this 等于 o 返回 =0
        return (int) (this.time - o.time); // 因为时间是long类型的，所以返回需要强制类型转换
    }
}

2、如果执行的时间没到就会一直重复取出来塞进去的操作（忙等）

按理说，等待是要释放 CPU 资源的，让 CPU 资源可以干别的事情。
但是忙等，即进行了等待，又占用着 CPU 资源。

就像是有的人虽然今天休假，但是一会又要线上开会，一会又要打扫卫生。
自己还没怎么休息，但是一天就过去了，自己虽然是在休假，但是也没有闲着。

如果此时还没到任务执行的时间，比如说任务执行的时间是 14:00，但是现在是 13:00
那么在这个时间段内，上述代码的循环操作就可能会被执行数十亿次，甚至更多。

就好比 18:00 就下课了，但是此时是 17:30 ，我过一会看一下时间，过一会看一下时间。
虽然是在等待着下课时间的到来，但是我也没有闲着。

针对上述的情况，不要在忙等了，而是要进行阻塞式等待。
可以使用 sleep 或者 wait 。

不使用 sleep 的原因：

随时都有可能有新的任务到来，如果新任务执行的时间更早呢。
也就是说这里等待的时间不明确。
如果新的任务执行的时间是 30 分钟后，但是 sleep 设置的时间是 1个小时，
那么这个时候就会错过这个任务。

使用 wait 更合适，更方便随时唤醒。
如果有新的任务来了就 notify 唤醒，然后在检查一下时间，重新计算要等待的时间。
而且 wait 也提供了一个带有 “超时时间” 的版本

带有超时时间的 wait 就可以保证：

当新任务来的时候，随时 notify 唤醒
如果没有新任务，则最多等到之前旧任务中的最早任务时间到，就会被唤醒。

在 put 操作之后进行 wait，还要搭配锁来使用。

在 schedule 方法里进行唤醒（notify）

synchronized (this) {
    this.wait(myTask.getTime() - curTime); // 得到需要等待的时间
}

// 唤醒wait
synchronized (this) {
    this.notify();
}

此时的代码还有一个和线程随机调度相关的问题

假设代码执行到了 ** queue.put(myTask);** ，这个线程就要从 cpu 调度走了。
当线程回来之后，接下来就要进行 wait 操作了，此时 wait 的时间已经是算好的。

比如当前时间是 13:00 ，任务时间是 14:00 ，即将要 wait 1 小时。（此时还没有执行wait）
如果此时有另一个线程调用了 schedule 方法添加新任务，新任务是 13:30 执行。

由于扫描线程 wait 还没执行呢，所以此处的 notify 只是会空打一炮，
不会产生任何的唤醒操作。

此时此刻，新的任务虽然已经插入到队列，新的任务也是在队首，
紧接着，扫描线程回到 cpu 了，此时等待的时间仍然是 1 小时。

因此，13:30 的任务就被错过了。

了解了上述问题之后就不难发现，问题出现的原因，是因为当前 take 操作和 wait 操作不是原子的。

如果在 take 和 wait 之间加上锁，保证在这个过程中不会有新的任务过来，问题自然解决。

 //构造方法里创建一个线程
 public MyTimer() {
     search = new Thread(() -> {
         while (true) {
             try {
                 // 取出队首元素，检查队首元素任务是否到时间了
                 // 如果没到时间，就把任务重新放到队列中
                 // 如果到时间了，就执行任务
                 synchronized (this) {
                     MyTask myTask = queue.take(); //拿出队首元素
                     long curTime = System.currentTimeMillis(); //计算当前的时间
                     // 还没到执行的时间
                     if (curTime < myTask.getTime()) {
                         // 要把任务塞回到队列中
                         queue.put(myTask);
                         // put 之后进行 wait
                         this.wait(myTask.getTime() - curTime); // 得到需要等待的时间
                     } else { // 到执行任务时间了
                         // 执行任务
                         myTask.run();
                     }
                 }
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }
     });
     search.start();
 }