定时任务——时间轮算法

背景

在实际的业务场景中，我们常常需要周期性执行一些任务，比如巡查系统资源，处理过期数据等等。这些事情如果人工去执行的话，无疑是对人力资源的浪费。因此我们就开发出了定时任务。目前业界已有许多出色的定时任务框架，如quartz，elastic-job，包括SpringBoot也提供了定时任务，当然JDK本身也提供了定时任务功能。
那么我们在用这些框架的时候，有没有想过它们是怎么实现定时任务的呢？时间轮算法就是这样一种实现定时任务的方法。

一、概述

时间轮算法是通过一个时间轮去维护定时任务，按照一定的时间单位对时间轮进行划分刻度。然后根据任务的延时计算任务该落在时间轮的第几个刻度，如果任务时长超出了时间轮的刻度数量，则增加一个参数记录时间轮需要转动的圈数。

时间轮每转动一次就检查当前刻度下的任务圈数是否为0，如果为0说明时间到了就执行任务，否则就减少任务的圈数。这样看起来已经很好了，可以满足基本的定时任务需求了，但是我们还能不能继续优化一下呢？答案是可以的。想想我们家里的水表，它是不是有多个轮子在转动，时间轮是不是也可以改造成多级联动呢？建立3个时间轮，月轮、周轮、日轮，月轮存储每个月份需要执行定时任务，转动时将当月份的任务抛到周轮，周轮转动时将当天的任务抛到日轮中，日轮转动时直接执行当前刻度下的定时任务。

1.1 绝对时间和相对时间

定时任务一般有两种：

• 1、约定一段时间后执行。
• 2、约定某个时间点执行。

其实这两者是可以互相转换的，比如现在有一个定时任务是12点执行，当前时间是9点，那就可以认为这个任务是3小时后执行。同样，现在又有一个任务，是3小时后执行，那也可以认为这个任务12点执行。

假设我们现在有3个定时任务A、B、C，分别需要在3点、4点和9点执行，我们把它们都转换成绝对时间。

只需要把任务放到它需要被执行的时刻，然后等到时针转到相应的位置时，取出该时刻放置的任务，执行就可以了。这就是时间轮算法的核心思想。

1.2 重复执行

多数定时任务是需要重复执行，比如每天上午9点执行生成报表的任务。对于重复执行的任务，其实我们需要关心的只是下次执行时间，并不关心这个任务需要循环多少次，还是那每天上午9点的这个任务来说。

• 1、比如现在是下午4点钟，我把这个任务加入到时间轮，并设定当时针转到明天上午九点(该任务下次执行的时间)时执行。
• 2、时间来到了第二天上午九点，时间轮也转到了9点钟的位置，发现该位置有一个生成报表的任务，拿出来执行。
• 3、同时时间轮发现这是一个循环执行的任务，于是把该任务重新放回到9点钟的位置。
• 4、重复步骤2和步骤3。

如果哪一天这个任务不需要再执行了，那么直接通知时间轮，找到这个任务的位置删除掉就可以了。由上面的过程我们可以看到，时间轮至少需要提供4个功能：

• 1、加入任务
• 2、执行任务
• 3、删除任务
• 4、沿着时间刻度前进

1.3 时间轮的数据结构

时钟可以使用数组来表示，那么时钟的每一个刻度就是一个槽，槽用来存在该刻度需要被执行的定时任务。正常业务中，同一时刻中是会存在多个定时任务的，所以每个槽中放一个链表或者队列就可以了，执行的时候遍历一遍即可。

同一时刻存在多个任务时，只要把该刻度对应的链表全部遍历一遍，执行（扔到线程池中异步执行）其中的任务即可。

1.4 时间刻度不够用

增加时间轮的刻度

现在有我有2个定时任务，一个任务每周一上午9点执行，另一个任务每周三上午9点执行。最简单的办法就是增大时间轮的长度，可以从12个加到168 (一天24小时，一周就是168小时)，那么下周一上午九点就是时间轮的第9个刻度，这周三上午九点就是时间轮的第57个刻度。

这样做的缺点:

• 1、时间刻度太多会导致时间轮走到的多数刻度没有任务执行，比如一个月就2个任务，我得移动720次，其中718次是无用功。
• 2、时间刻度太多会导致存储空间变大，利用率变低，比如一个月就2个任务，我得需要大小是720的数组，如果我的执行时间的粒度精确到秒，那就更恐怖了。

1.5 任务增加round属性

现在时间轮的刻度还沿用24，但是槽中的每个任务增加一个round属性，代表时钟转过第几圈之后再次转到这个槽的时候执行。

上图代表任务三在指针下一圈移动时执行，整体流程就是时间轮没移动一个刻度的时候都要遍历槽中所有任务，对每个任务的round属性减1，并取出round为0的任务调度，这样可以解决增加时间轮带来的空间浪费。但是这样带来的问题时，每次移动刻度的耗时会增加，当时间刻度很小(秒级甚至毫秒级)，任务列表有很长，这种方案是不能接受的。

1.6 分层时间轮

分层时间轮是这样一种思想：

• 1、针对时间复杂度的问题：不做遍历计算round，凡是任务列表中的都应该是应该被执行的，直接全部取出来执行。
• 2、针对空间复杂度的问题：分层，每个时间粒度对应一个时间轮，多个时间轮之间进行级联协作。

假设现在有3个定时任务：

• 1. 任务一每天上午9点执行
• 2. 任务二每周2上午9点执行
• 3. 任务三每月12号上午9点执行。

根据这三个任务的调度粒度，可以划分为3个时间轮，月轮、周轮和天轮，初始添加任务时，任务一被添加到天轮上，任务二被添加到周轮，任务三被添加到月轮上。三个时间轮按各自的刻度运转，当周轮移动到刻度2时，取出任务二丢到天轮上，当天轮移动到刻度9时执行。同样任务三在移动到刻度12时，取出任务三丢给月轮。以此类推。

1.7 round时间轮和分层时间轮的一点比较

相比于round时间轮思想，采用分层时间轮算法的优点在于：只需要多耗费极少的空间（从1个时间轮到3个时间轮），就能实现多线程在效率上的提高（一个时间轮是一个线程去行走，3个时间轮可以3个线程行走）。当然这是相对的，若提交的任务都是每隔几个小时重复执行，那显然小时时间轮比月、周、小时时间轮组合的耗费空间少，且执行时间还相同。

1.8 时间轮的应用

时间轮的思想应用范围非常广泛，各种操作系统的定时任务调度，Crontab、Dubbo、新版的XXL-JOB、还有基于java的通信框架Netty中也有时间轮的实现，几乎所有的时间任务调度系统采用的都是时间轮的思想。

至于采用round型的时间轮还是采用分层时间轮，看实际需要吧，时间复杂度和实现复杂度的取舍。

二、时间轮定时使用方式

用Netty的HashedWheelTimer来实现，给Pom加上下面的依赖

    io.netty
    netty-all
    4.1.75.Final

使用测试：

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest
public class Test {

    @Test
    public void test() throws InterruptedException {
        DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        HashedWheelTimer timer = new HashedWheelTimer(new NamedThreadFactory("timer-task"), 1, TimeUnit.MILLISECONDS,8);
        TimerTask timerTask = new TimerTask() {
            @Override
            public void run(Timeout timeout) throws Exception {
                System.out.println("hello world " + LocalDateTime.now().format(formatter));
                //执行完成之后再次加入调度
                timer.newTimeout(this, 4, TimeUnit.SECONDS);
            }
        };
        //将定时任务放入时间轮
        timer.newTimeout(timerTask, 4, TimeUnit.SECONDS);
        Thread.currentThread().join();
    }
}

在这里使用的是 netty 使用时间轮算法实现的HashedWheelTimer来做的每隔 4s 的定时调度。

public HashedWheelTimer(
        ThreadFactory threadFactory,
        long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel) {
    this(threadFactory, tickDuration, unit, ticksPerWheel, true);
}

使用方式比较简单，创建一个HashedWheelTimer时间轮定时器对象，threadFactory：创建线程的线程工厂

• tickDuration：一个间隔时间（步长）
• tickDuration：间隔时间的单位
• ticksPerWheel：时间轮的大小

输出如下：

hello world 2022-04-12 18:46:36
hello world 2022-04-12 18:46:40
hello world 2022-04-12 18:46:44
hello world 2022-04-12 18:46:48
hello world 2022-04-12 18:46:52
hello world 2022-04-12 18:46:56
hello world 2022-04-12 18:47:00
hello world 2022-04-12 18:47:04
hello world 2022-04-12 18:47:08
hello world 2022-04-12 18:47:12
hello world 2022-04-12 18:47:16
hello world 2022-04-12 18:47:20

三、时间轮定时内部原理

时间轮定时器原理基本都是如下图：

时间轮算法可以简单的看成一个循环数组+双向链表的数据结构实现的。
循环数组构成一个环形结构，指针每隔 tickDuration 时间走一步，每个数组上挂载一个双向链表结构的定时任务列表。

双向链表上的任务有个属性为 remainingRounds，即当前任务剩下的轮次是多少，每当指针走到该任务的位置时，remainingRounds 减 1，直到remainingRounds 为 0 时，定时任务触发。

通过时间轮算法的原理图我们可以知道，tickDuration 越小，定时任务越精确。

3.1 时间轮定时源码剖析

3.1.1 构造方法

首先从 HashedWheelTimer 的构造方法分析

public class HashedWheelTimer implements Timer {

    public HashedWheelTimer(
            ThreadFactory threadFactory,
            long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel, boolean leakDetection,
            long maxPendingTimeouts) {
        //线程工厂非null判断
        if (threadFactory == null) {
            throw new NullPointerException("threadFactory");
        }
        //时间单位非null判断
        if (unit == null) {
            throw new NullPointerException("unit");
        }
        //时间间隔（步长）大于0判断
        if (tickDuration <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("tickDuration must be greater than 0: " + tickDuration);
        }
        //循环数组长度大于0判断
        if (ticksPerWheel <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("ticksPerWheel must be greater than 0: " + ticksPerWheel);
        }

        // Normalize ticksPerWheel to power of two and initialize the wheel.
        // 将ticksPerWheel修改为2的整数次幂 并且新建数组
        wheel = createWheel(ticksPerWheel);
        // 数组长度-1，其二进制均为1. 通过指针tick&mask 获取当前的数组下标，类似于hashmap的 hashcode&(len -1)
        mask = wheel.length - 1;

        // Convert tickDuration to nanos.
        long duration = unit.toNanos(tickDuration);

        // Prevent overflow.
        if (duration >= Long.MAX_VALUE / wheel.length) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format(
                    "tickDuration: %d (expected: 0 < tickDuration in nanos < %d",
                    tickDuration, Long.MAX_VALUE / wheel.length));
        }

        if (duration < MILLISECOND_NANOS) {
            if (logger.isWarnEnabled()) {
                logger.warn("Configured tickDuration %d smaller then %d, using 1ms.",
                            tickDuration, MILLISECOND_NANOS);
            }
            this.tickDuration = MILLISECOND_NANOS;
        } else {
            this.tickDuration = duration;
        }
        //创建工作线程，该线程会定期的移动指针，扫描链表任务，后面再分析
        workerThread = threadFactory.newThread(worker);

        leak = leakDetection || !workerThread.isDaemon() ? leakDetector.track(this) : null;

        this.maxPendingTimeouts = maxPendingTimeouts;
        //判断HashedWheelTimer实例是否创建太多，如果是就输出一个日志
        if (INSTANCE_COUNTER.incrementAndGet() > INSTANCE_COUNT_LIMIT &&
            WARNED_TOO_MANY_INSTANCES.compareAndSet(false, true)) {
            reportTooManyInstances();
        }
    }
}

构造方法比较简单明了，主要是做一些初始化工作，比如数组的长度控制为2的整数次幂，新建数组，新建工作线程等。

3.2 添加任务

继续往下看如何向时间轮定时器添加一个定时任务。

public class HashedWheelTimer implements Timer {

    @Override
    public Timeout newTimeout(TimerTask task, long delay, TimeUnit unit) {
        if (task == null) {
            throw new NullPointerException("task");
        }
        if (unit == null) {
            throw new NullPointerException("unit");
        }
        //一个计数器，表示当前在队列中等待的任务数量
        long pendingTimeoutsCount = pendingTimeouts.incrementAndGet();
        //默认maxPendingTimeouts为-1，如果该值>0.添加新任务时会进行判断，如果当前任务大于maxPendingTimeouts，则跑出拒绝异常
        if (maxPendingTimeouts > 0 && pendingTimeoutsCount > maxPendingTimeouts) {
            pendingTimeouts.decrementAndGet();
            throw new RejectedExecutionException("Number of pending timeouts ("
                + pendingTimeoutsCount + ") is greater than or equal to maximum allowed pending "
                + "timeouts (" + maxPendingTimeouts + ")");
        }
        //检测工作线程扫描是否启动，如果未启动，启动下
        start();

        // Add the timeout to the timeout queue which will be processed on the next tick.
        // During processing all the queued HashedWheelTimeouts will be added to the correct HashedWheelBucket.
        //startTime为工作线程启动的时间，deadline为：System.nanoTime()+任务延迟时间-工作线程的启动时间
        long deadline = System.nanoTime() + unit.toNanos(delay) - startTime;

        // Guard against overflow.
        //溢出判断，因为startTime是在start()方法中启动工作线程后赋值的，
        //在delay大于0的情况下，deadline是不可能小于0，除非溢出了。如果溢出了为deadline赋值一个最大值
        if (delay > 0 && deadline < 0) {
            deadline = Long.MAX_VALUE;
        }
        //创建HashedWheelTimeout对象
        HashedWheelTimeout timeout = new HashedWheelTimeout(this, task, deadline);
        //将任务加入timeouts队列
        timeouts.add(timeout);
        return timeout;
    }
}

该方法主要执行以下几个工作

• 1.参数非空校验
• 2.任务数量最大值检测
• 3.工作线程启动
• 4.获取任务的 deadline，将任务封装为 HashedWheelTimeout 对象
• 5.将 HashedWheelTimeout 对象放入任务队列 timeouts

3.3 工作线程启动

下面简单看下 start 方法

public class HashedWheelTimer implements Timer {

    public void start() {
        switch (WORKER_STATE_UPDATER.get(this)) {
            case WORKER_STATE_INIT:
                if (WORKER_STATE_UPDATER.compareAndSet(this, WORKER_STATE_INIT, WORKER_STATE_STARTED)) {
                    //如果发现当前工作线程的状态为WORKER_STATE_INIT 初始化状态，则设置线程状态为 WORKER_STATE_STARTED并 启动工作线程
                    workerThread.start();
                }
                break;
            case WORKER_STATE_STARTED:
                break;
            case WORKER_STATE_SHUTDOWN:
                throw new IllegalStateException("cannot be started once stopped");
            default:
                throw new Error("Invalid WorkerState");
        }

        // Wait until the startTime is initialized by the worker.
        //startTime 初始值为0，并且在工作线程启动后设置。startTimeInitialized是一个CountDownLatch锁，在工作线程启动后释放
        while (startTime == 0) {
            try {
                startTimeInitialized.await();
            } catch (InterruptedException ignore) {
                // Ignore - it will be ready very soon.
            }
        }
    }
}

该方法主要是启动工作线程并等待工作线程启动完成。
继续看工作线程的 run 方法做什么事情

3.4 工作线程run方法

public class HashedWheelTimer implements Timer {

    private final class Worker implements Runnable {
        private final Set unprocessedTimeouts = new HashSet();

        private long tick;

        @Override
        public void run() {
            // Initialize the startTime.
            //线程启动后初始化startTime 时间为System.nanoTime()
            startTime = System.nanoTime();
            if (startTime == 0) {
                // We use 0 as an indicator for the uninitialized value here, so make sure it's not 0 when initialized.
                startTime = 1;
            }

            // Notify the other threads waiting for the initialization at start().
            //释放start方法中的CountDownLatch锁
            startTimeInitialized.countDown();
            //在当前工作线程状态一直为 WORKER_STATE_STARTED 时循环执行
            do {
                //waitForNextTick 主要是指针跳动，内部使用Thread.sleep实现
                final long deadline = waitForNextTick();
                //小于0表示收到了关闭的信号
                if (deadline > 0) {
                    //tick和mask进行按位与操作获取到当前数组下标位置
                    int idx = (int) (tick & mask);
                    //从时间轮中移除所有已经取消的定时任务
                    processCancelledTasks();
                    //获取到下标对应的链表头
                    HashedWheelBucket bucket =
                            wheel[idx];
                    //将队列中的定时任务放入到时间轮中
                    transferTimeoutsToBuckets();
                    //遍历链表任务，将达到执行时间的任务触发执行
                    bucket.expireTimeouts(deadline);
                    //指针+1
                    tick++;
                }
            } while (WORKER_STATE_UPDATER.get(HashedWheelTimer.this) == WORKER_STATE_STARTED);

            // Fill the unprocessedTimeouts so we can return them from stop() method.
            //工作线程停止后，将时间轮上的所有任务放入unprocessedTimeouts集合
            for (HashedWheelBucket bucket: wheel) {
                bucket.clearTimeouts(unprocessedTimeouts);
            }
            //将任务队列中的任务也放入unprocessedTimeouts集合
            for (;;) {
                HashedWheelTimeout timeout = timeouts.poll();
                if (timeout == null) {
                    break;
                }
                if (!timeout.isCancelled()) {
                    unprocessedTimeouts.add(timeout);
                }
            }
            //移除所有的未处理的定时任务
            processCancelledTasks();
        }
    }
}

该部分代码主要分为以下几个部分

• 设置线程的启动时间 startTime
• 在工作线程启动的状态下
  • 根据用户配置的 tickDuration 指针每次跳动一下
  • 从时间轮中移除所有已经取消的定时任务
  • 将队列中的定时任务放入到时间轮中
  • 遍历链表任务，将达到执行时间的任务触发执行
• 工作线程停止后的清理工作
  • 下面看一下指针跳动的代码

3.5 指针跳动

public class HashedWheelTimer implements Timer {

    private final class Worker implements Runnable {
        private final Set unprocessedTimeouts = new HashSet();

        private long tick;

        private long waitForNextTick() {
            //获取下一个指针的deadline时间
            long deadline = tickDuration * (tick + 1);

            for (;;) {
                //当前工作线程的活动时间
                final long currentTime = System.nanoTime() - startTime;
                //计算还需要多久达到deadline  。
                //这里加上999999的原因是因为/只会取整数部分，并且是使用Thread.sleep时间的，参数为毫秒。
                //为了保证任务不被提前执行，加上999999后就能够向上取整1ms。
                long sleepTimeMs = (deadline - currentTime + 999999) / 1000000;
                //sleepTimeMs 小于0表示达到了任务的触发时间
                if (sleepTimeMs <= 0) {
                    if (currentTime == Long.MIN_VALUE) {
                        return -Long.MAX_VALUE;
                    } else {
                        return currentTime;
                    }
                }

                // Check if we run on windows, as if thats the case we will need
                // to round the sleepTime as workaround for a bug that only affect
                // the JVM if it runs on windows.
                //
                // See https://github.com/netty/netty/issues/356
                if (PlatformDependent.isWindows()) {
                    sleepTimeMs = sleepTimeMs / 10 * 10;
                }

                try {
                    Thread.sleep(sleepTimeMs);
                } catch (InterruptedException ignored) {
                    if (WORKER_STATE_UPDATER.get(HashedWheelTimer.this) == WORKER_STATE_SHUTDOWN) {
                        return Long.MIN_VALUE;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

通过源码分析我们可以看到时间轮算法实现的指针跳动是通过Thread.sleep 实现的，难以理解的就是 (deadline - currentTime + 999999) / 1000000;

3.6 将队列任务放入时间轮中

在工作线程的 run 方法中会调用 transferTimeoutsToBuckets方法，该方法会将用户提交到队列中的定时任务移动到时间轮中，下面具体分析下

public class HashedWheelTimer implements Timer {

    private final class Worker implements Runnable {
        private final Set unprocessedTimeouts = new HashSet();

        private long tick;

        private void transferTimeoutsToBuckets() {
            // transfer only max. 100000 timeouts per tick to prevent a thread to stale the workerThread when it just
            // adds new timeouts in a loop.
            //每次最多只迁移 10W 个定时任务,主要是为了防止迁移时间过长，导致时间轮中的任务延迟执行
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                HashedWheelTimeout timeout = timeouts.poll();
                if (timeout == null) {
                    // all processed
                    break;
                }
                //如果任务已经被取消，就跳过
                if (timeout.state() == HashedWheelTimeout.ST_CANCELLED) {
                    // Was cancelled in the meantime.
                    continue;
                }
                //计算任务需要放入的数组位置
                long calculated = timeout.deadline / tickDuration;
                //由于时间轮中的数组是循环数组，计算还需要几个轮次
                timeout.remainingRounds = (calculated - tick) / wheel.length;
                //calculated 和tick 取最大，主要是为了保证过时的任务能够被调度。
                //正常情况下calculated是大于tick的，
                //如果某些任务执行时间过长，导致tick大于calculated，此时直接把过时的任务放到当前链表队列
                final long ticks = Math.max(calculated, tick); // Ensure we don't schedule for past.
                //按位与获取任务的执行位置
                int stopIndex = (int) (ticks & mask);

                HashedWheelBucket bucket = wheel[stopIndex];
                //将任务放入当前数组上的链表
                bucket.addTimeout(timeout);
            }
        }
    }
}

transferTimeoutsToBuckets 方法很简单，我们主要要记住两点

• 1.每次最多会迁移10W 个队列中的任务到时间轮中，为了保证不影响工作线程的指针跳动
• 2.并且我们发现取消的任务会直接跳过，过时的任务会直接放到当前位置。

3.7 链表任务遍历

public class HashedWheelTimer implements Timer {

    private static final class HashedWheelBucket {
        // Used for the linked-list datastructure
        private HashedWheelTimeout head;
        private HashedWheelTimeout tail;

        /**
         * Expire all {@link HashedWheelTimeout}s for the given {@code deadline}.
         */
        public void expireTimeouts(long deadline) {
            HashedWheelTimeout timeout = head;

            // process all timeouts
            //遍历链表的所有任务
            while (timeout != null) {
                HashedWheelTimeout next = timeout.next;
                //如果剩下的轮次<=0
                if (timeout.remainingRounds <= 0) {
                    //从双向链表中移除该任务
                    next = remove(timeout);
                    //如果当前任务的deadline小于目前时间轮的deadline，表示任务已经可以被触发
                    if (timeout.deadline <= deadline) {
                        //任务执行
                        timeout.expire();
                    } else {
                        // The timeout was placed into a wrong slot. This should never happen.
                        throw new IllegalStateException(String.format(
                                "timeout.deadline (%d) > deadline (%d)", timeout.deadline, deadline));
                    }
                } else if (timeout.isCancelled()) {
                    //任务取消也从链表中移除
                    next = remove(timeout);
                } else {
                    // 任务的剩余轮次-1
                    timeout.remainingRounds --;
                }
                //链表遍历
                timeout = next;
            }
        }
    }
}

该方法主要是遍历链表上的定时任务

• 任务所剩轮次为 0 并且任务的 deadline 小于目前时间轮的 deadline，任务触发执行
• 任务被取消，从链表中移除
• 任务轮次大于 0 并且还未取消，轮次 -1
• 遍历下个定时任务

3.8 定时任务执行

public class HashedWheelTimer implements Timer {

    private static final class HashedWheelTimeout implements Timeout {

        public void expire() {
            if (!compareAndSetState(ST_INIT, ST_EXPIRED)) {
                return;
            }

            try {
                task.run(this);
            } catch (Throwable t) {
                if (logger.isWarnEnabled()) {
                    logger.warn("An exception was thrown by " + TimerTask.class.getSimpleName() + '.', t);
                }
            }
        }
    }
}

定时任务执行代码，看着很简单，首先将任务的状态设置为ST_EXPIRED，然后直接调用 run方法执行任务，这里说明任务是在工作线程中执行的，也就是说如果任务执行时间过长，会影响其它定时任务的触发。

参考：
https://blog.csdn.net/qq_34772568/article/details/105534389

https://blog.csdn.net/su20145104009/article/details/115636136

https://blog.csdn.net/code_geek/article/details/113133327

https://blog.csdn.net/beslet/article/details/119974430

https://blog.csdn.net/qq_34039868/article/details/105384808