【多线程】定时器 Timer

一. 定时器是什么

定时器也是软件开发中的一个重要组件. 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(任务).

二. 标准库中的定时器

• 标准库中提供了一个 Timer 类. Timer 类的核心方法为 schedule .
• schedule 包含两个参数. 第一个参数指定即将要执行的任务代码, 第二个参数指定多长时间之后执行 (单位为毫秒).

        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("hello");
            }
        }, 3000);

三. 实现定时器

定时器的构成:

• 任务：创建一个专门的类 Task 表示一个定时器任务，Task 中带有一个时间属性。
• 一个带优先级的阻塞队列来组织任务。
• 同时有一个 worker 线程一直扫描队首元素, 看队首元素是否需要执行。

为啥要带优先级呢?
因为阻塞队列中的任务都有各自的执行时刻 (delay). 最先执行的任务一定是 delay 最小的. 使用带优先级的队列就可以高效的把这个 delay 最小的任务找出来，因为要使用优先级队列，所以说放入队列的任务要能够比较。

实现定时器：

1. Timer 类提供的核心接口为 schedule, 用于注册一个任务, 并指定这个任务多长时间后执行.

public class Timer {
    public void schedule(Runnable command, long after) {
        // TODO
    }
}

2. Task 类用于描述一个任务(作为 Timer 的内部类). 里面包含一个 Runnable 对象和一个 time(毫秒时间戳)
   这个对象需要放到 优先队列 中. 因此需要实现 Comparable 接口.

static class Task implements Comparable<Task> {
    private Runnable command;
    private long time;
    public Task(Runnable command, long time) {
        this.command = command;
        // time 中存的是绝对时间, 超过这个时间的任务就应该被执行
        this.time = System.currentTimeMillis() + time;
    }
    public void run() {
        command.run();
    }
    @Override
    public int compareTo(Task o) {
        // 谁的时间小谁排前面
        return (int)(time - o.time);
    }
}

3. Timer 实例中, 通过 PriorityBlockingQueue 来组织若干个 Task 对象.
   通过 schedule 来往队列中插入一个个 Task 对象.

class Timer {
    // 核心结构
    private PriorityBlockingQueue<Task> queue = new PriorityBlockingQueue();

    public void schedule(Runnable command, long after) {
        Task task = new Task(command, after);
        queue.offer(task);
    }
}

4. Timer 类中存在一个 worker 线程, 一直不停的扫描队首元素, 看看是否能执行这个任务. 所谓 “能执行” 指的是该任务设定的时间已经到达了.

class Timer {
    // ... 前面的代码不变

    public Timer() {
        // 启动 worker 线程
        Worker worker = new Worker();
        worker.start();
    }

    class Worker extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    Task task = queue.take();
                    long curTime = System.currentTimeMillis();
                    if (task.time > curTime) {
                        // 时间还没到, 就把任务再塞回去
                        queue.put(task);
                    } else {
                        // 时间到了, 可以执行任务
                        task.run();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

但是当前这个代码中存在一个严重的问题, 就是 while (true) 转的太快了, 造成了无意义的 CPU 浪费.

比如第一个任务设定的是 1 min 之后执行某个逻辑. 但是这里的 while (true) 会导致每秒钟访问队
首元素几万次. 而当前距离任务执行的时间还有很久呢.

5. 引入一个 mailBox 对象, 借助该对象的 wait / notify 来解决 while (true) 的忙等问题.

class Timer {
    // 存在的意义是避免 worker 线程出现忙等的情况
    private Object mailBox = new Object();
}

修改 worker 的 run 方法, 引入 wait, 等待一定的时间.

为什么不使用 sleep， 因为 sleep 不能被中途唤醒，新的任务可能在之前所有任务的最前面，此时 wait 可以由 notify 唤醒，而 sleep 不能。

    public void run() {
        while (true) {
            try {
                Task task = queue.take();
                long curTime = System.currentTimeMillis();
                if (task.time > curTime) {
                    // 时间还没到, 就把任务再塞回去
                    queue.put(task);
                    // [引入 wait] 等待时间按照队首元素的时间来设定. 
                    synchronized (mailBox) {
                        // 指定等待时间 wait
                        mailBox.wait(task.time - curTime);
                    }

                } else {
                    // 时间到了, 可以执行任务
                    task.run();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                break;
            }
        }
    }

修改 Timer 的 schedule 方法, 每次有新任务到来的时候唤醒一下 worker 线程. (因为新插入的任务可能是需要马上执行的).

    public void schedule(Runnable command, long after) {
        Task task = new Task(command, after);
        queue.offer(task);

        // [引入 notify] 每次有新的任务来了, 都唤醒一下 worker 线程, 检测下当前是否有任务该执行
        synchronized (mailBox) {
            mailBox.notify();
        }
    }

扫描线程里面的加锁位置还有问题，还可能发生线程安全问题：
当扫描线程已经获取堆顶任务，判断出任务还不该执行，计算出等待时间，正准备 wait 时，该线程被调出 CPU，其他线程运行并插入了一个执行时间更近的任务，并进行了 notify, (但是打空了，扫描线程没有在 wait )当扫描线程重新获取 CPU 时，继续往下执行之前未执行的 wait，并且wait 的时间按照之前的任务算出来的，所以等待的时间太长了，导致错过了最新插入的那个任务的执行时间。

举个栗子：

• 当前时间是 8：00，扫描线程发现阻塞队列堆顶任务是 9：00 执行,所以打算 wait (1 小时)
• 但是此时突然被调度出 CPU, 另外一个线程执行并往阻塞队列中 添加了 8: 30 执行的任务, 添加完成之后 notify, 但是 打空了, 没有 notify 到, 因为扫描线程并没有 wait, 而是因为其他原因被调出 CPU了
• 等到扫描线程重新获得 CPU 后, 继续往下执行之前没执行的 wait 操作, wait 了 1 个 小时, 错过了 8:30 这个任务的执行时间

解决:
上面的主要原因就是 新加入任务了, 但是扫描线程没有感知到, 怎么办:
要确定每次 notify 时都在 wait, 能够通知到, 怎么确定 :
增大锁的粒度, 扫描线程获取元素的时候就加上锁, 这样 你想要 notify 就必须等 扫描线程 释放锁, 扫描线程什么时候释放锁 ? wait 的时候或者出代码块(出代码块后再进入代码块会重新获取堆顶元素)的时候, 所以 , 这就确定每次 新加入任务时, 扫描线程都能感知到.

    class Worker extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    synchronized (mailBox) {
                        Task task = queue.take();
                        // 不使用 peek 是因为当队列为空时，peek 不会阻塞，导致后面空指针异常。
                        // 并且因为阻塞队列由堆实现，再把元素放回堆，调整堆的时间复杂度也不高。
                        long curTime = System.currentTimeMillis();
                        if (task.time > curTime) {
                            // 时间还没到, 就把任务再塞回去
                            queue.put(task);
                            // 指定等待时间 wait
                            mailBox.wait(task.time - curTime);
                        } else {
                            // 时间到了, 可以执行任务
                            task.run();
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    break;
                }
            }
        }
    }

完整代码：

/**
 * 定时器的构成:
 * 一个带优先级的阻塞队列
 * 队列中的每个元素是一个 Task 对象.
 * Task 中带有一个时间属性, 队首元素就是即将执行的任务
 * 同时有一个 worker 线程一直扫描队首元素, 看队首元素是否需要执行
 */
class Timer {
    static class Task implements Comparable<Task> {
        private Runnable command;
        private long time;
        public Task(Runnable command, long time) {
            this.command = command;
            // time 中存的是绝对时间, 超过这个时间的任务就应该被执行
            this.time = System.currentTimeMillis() + time;
        }
        public void run() {
            command.run();
        }
        @Override
        public int compareTo(Task o) {
            // 谁的时间小谁排前面
            return (int)(time - o.time);
        }
    }
    // 核心结构
    private PriorityBlockingQueue<Task> queue = new PriorityBlockingQueue();
    // 存在的意义是避免 worker 线程出现忙等的情况
    private Object mailBox = new Object();

    class Worker extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    synchronized (mailBox) {
                        Task task = queue.take();
                        // 不使用 peek 是因为当队列为空时，peek 不会阻塞，导致后面空指针异常。
                        // 并且因为阻塞队列由堆实现，再把元素放回堆，调整堆的时间复杂度也不高。
                        long curTime = System.currentTimeMillis();
                        if (task.time > curTime) {
                            // 时间还没到, 就把任务再塞回去
                            queue.put(task);
                            // 指定等待时间 wait
                            mailBox.wait(task.time - curTime);
                        } else {
                            // 时间到了, 可以执行任务
                            task.run();
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    break;
                }
            }
        }
    }
    public Timer() {
        // 创建 worker 线程
        Worker worker = new Worker();
        // 注意刚 创建 Timer 对象，就要启动扫描线程
        worker.start();
    }

    // 加入任务
    public void schedule(Runnable command, long after) {
        Task task = new Task(command, after);
        queue.offer(task);
        // 每次有新任务到来的时候唤醒一下 worker 线程. (因为新插入的任务可能是需要马上执行的).
        synchronized (mailBox) {
            mailBox.notify();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        Runnable command = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("我来了");
                timer.schedule(this, 3000);
            }
        };
        timer.schedule(command, 3000);
    }
}

总结：

1. 描述一个任务： Runnable + time 。
2. 使用优先级阻塞队列组织若干任务，PriorityBlockingQueue。
3. 使用 schedule 方法注册任务到队列中。
4. 专门使用一个扫描线程，不停的获取队首元素并判断时间是否到达。

注意：
定时器中的任务不一定是准时执行的，因为只有一个线程在执行任务，所以说可能正在执行某个任务时，其他线程就该执行了，由于只有一个线程，其他的任务执行时间不得不推迟。所以说是一个线程按照任务执行时间的先后顺序执行任务，所以任务的真正执行时间很有可能延后。