【Java】定时任务 - Timer/TimerTask 源码原理解析
一、背景及使用
日常实现各种服务端系统时，我们一定会有一些定时任务的需求。比如会议提前半小时自动提醒，异步任务定时/周期执行等。那么如何去实现这样的一个定时任务系统呢？ Java JDK提供的Timer类就是一个很好的工具，通过简单的API调用，我们就可以实现定时任务。
现在就来看一下java.util.Timer是如何实现这样的定时功能的。
首先，我们来看一下一个使用demo
Timer timer = new Timer();
TimerTask task = new TimerTask() {
public void run() {
System.out.println("executing now!");
}
};
// 延迟 1s 打印一次
timer.schedule(task, 1000)
// 延迟 1s 固定时延每隔 1s 周期打印一次
timer.schedule(task, 1000, 1000);
// 延迟 1s 固定速率每隔 1s 周期打印一次
timer.scheduleAtFixRate(task, 1000, 1000)基本的使用方法：
-
创建一个Timer对象
-
创建一个TimerTask对象，在这里实现run方法
-
将TimerTask对象作为参数，传入到Timer对象的scheule方法中，进行调度执行。
加入任务的API如下:
-
一次性任务的API
// 指定时延后运行
// 默认fixed-delay模式，周期时间按上一次执行结束时间计算
public void schedule(TimerTask task, long delay) {
if (delay < 0)
throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, 0);
}
// 指定时间点运行
public void schedule(TimerTask task, Date time) {
sched(task, time.getTime(), 0);
}-
周期任务的APi：
// 指定时延后运行，之后以指定周期运行
public void schedule(TimerTask task, long delay, long period) {
if (delay < 0)
throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
if (period <= 0)
throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, -period);
}
// 指定时间点运行，之后以指定周期运行
public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period) {
if (period <= 0)
throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
sched(task, firstTime.getTime(), -period);
}
// 指定时延后运行，之后以指定周期运行
// 默认fixedRate模式，周期时间按任务执行开始时间计算
public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period) {
if (delay < 0)
throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
if (period <= 0)
throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, period);
}
public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime,
long period) {
if (period <= 0)
throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
sched(task, firstTime.getTime(), period);
}可以看到API方法内部都是调用sched方法，其中time参数下一次任务执行时间点，是通过计算得到。period参数为0的话则表示为一次性任务。
二、实现原理
那么我们来看一下Timer内部是如何实现调度的。
2.1、内部结构
先看一下Timer的组成部分：
public class Timer {
// 任务队列
private final TaskQueue queue = new TaskQueue();
// 工作线程，循环取任务
private final TimerThread thread = new TimerThread(queue);
private final Object threadReaper = new Object() {
protected void finalize() throws Throwable {
synchronized(queue) {
thread.newTasksMayBeScheduled = false;
queue.notify(); // In case queue is empty.
}
}
};
// Timer的序列号，命名工作线程（静态变量，在启动多个Timer的情况可以用于区分对应的工作线程）
private final static AtomicInteger nextSerialNumber = new AtomicInteger(0);
}Timer有3个重要的模块，分别是 TimerTask, TaskQueue, TimerThread
-
TimerTask，即待执行的任务
-
TaskQueue，任务队列，TimerTask加入后会按执行时间自动排序
-
TimerThread，工作线程，真正循环执行TimerTask的线程
那么，在加入任务之后，整个Timer是怎么样运行的呢？可以看下面的示意图：
2.2、工作线程
- 创建任务，调用scheule方法
public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period) {
if (period <= 0)
throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
sched(task, firstTime.getTime(), -period);
}-
内部调用sched方法
// sched方法的入参是task任务，执行的时间，以及执行周期
private void sched(TimerTask task, long time, long period) {
if (time < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal execution time.");
// 防止溢出
if (Math.abs(period) > (Long.MAX_VALUE >> 1))
period >>= 1;
// 对queue加锁，避免并发入队
synchronized(queue) {
if (!thread.newTasksMayBeScheduled)
throw new IllegalStateException("Timer already cancelled.");
// 对task加锁，避免并发修改
synchronized(task.lock) {
if (task.state != TimerTask.VIRGIN)
throw new IllegalStateException(
"Task already scheduled or cancelled");
task.nextExecutionTime = time;
task.period = period;
task.state = TimerTask.SCHEDULED;
}
// 任务入队
queue.add(task);
/* 如果任务是队列当前第一个任务，则唤醒工作线程
这里是因为工作线程处理完上一个任务之后，会 sleep 到下一个 task 的执行时间点。
如果有 nextExecutionTime 更早的 task 插队到前面，则需要马上唤醒工作线程进行检查
避免 task 延迟执行
*/
if (queue.getMin() == task)
queue.notify();
}
}流程中加了一些锁，用来避免同时加入TimerTask的并发问题。可以看到sched方法的逻辑比较简单，task赋值之后入队，队列会自动按照nextExecutionTime排序（升序，排序的实现原理后面会提到）。
- 工作线程的mainLoop
public void run() {
try {
mainLoop();
} finally {
synchronized(queue) {
newTasksMayBeScheduled = false;
queue.clear();
}
}
}
/**
* 工作线程主逻辑，循环执行
*/
private void mainLoop() {
while (true) {
try {
TimerTask task;
boolean taskFired; // 标记任务是否应该执行
synchronized(queue) {
// 如果队列为空，且newTasksMayBeScheduled为true，此时等待任务加入
while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)
queue.wait();
// 如果队列为空，且newTasksMayBeScheduled为false，说明此时线程应该退出
if (queue.isEmpty())
break;
// 队列不为空，尝试从队列中取task（目标执行时间最早的task）
long currentTime, executionTime;
task = queue.getMin();
synchronized(task.lock) {
// 校验task状态
if (task.state == TimerTask.CANCELLED) {
queue.removeMin();
continue;
}
currentTime = System.currentTimeMillis();
executionTime = task.nextExecutionTime;
// 当前时间 >= 目标执行时间，说明任务可执行，设置taskFired = true
if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) {
if (task.period == 0) { // period == 0 说明是非周期任务，先从队列移除
queue.removeMin();
task.state = TimerTask.EXECUTED;
} else { // 周期任务，会根据period重设执行时间，再加入到队列中
queue.rescheduleMin(
task.period<0 ? currentTime - task.period
: executionTime + task.period);
}
}
}
if (!taskFired) // 任务为不需执行状态，则等待
queue.wait(executionTime - currentTime);
}
if (taskFired) // 任务需要执行，则调用task的run方法执行，这里执行的其实就是调用方创建task时候run方法的逻辑
task.run();
} catch(InterruptedException e) {
}
}
}从 mainLoop的源码中可以看出，基本的流程如下所示
当发现是周期任务时，会计算下一次任务执行的时间，这个时候有两种计算方式，即前面API中的
-
schedule：period为负值，下次执行时间
-
scheduleAtFixedRate：period为正值
queue.rescheduleMin( task.period<0 ? currentTime - task.period : executionTime + task.period);2.3、优先队列
当从队列中移除任务，或者是修改任务执行时间之后，队列会自动排序。始终保持执行时间最早的任务在队首。 那么这是如何实现的呢？
看一下TaskQueue的源码就清楚了
class TaskQueue {
private TimerTask[] queue = new TimerTask[128];
private int size = 0;
int size() {
return size;
}
void add(TimerTask task) {
if (size + 1 == queue.length)
queue = Arrays.copyOf(queue, 2*queue.length);
queue[++size] = task;
fixUp(size);
}
TimerTask getMin() {
return queue[1];
}
TimerTask get(int i) {
return queue[i];
}
void removeMin() {
queue[1] = queue[size];
queue[size--] = null; // Drop extra reference to prevent memory leak
fixDown(1);
}
void quickRemove(int i) {
assert i <= size;
queue[i] = queue[size];
queue[size--] = null; // Drop extra ref to prevent memory leak
}
void rescheduleMin(long newTime) {
queue[1].nextExecutionTime = newTime;
fixDown(1);
}
boolean isEmpty() {
return size==0;
}
void clear() {
for (int i=1; i<=size; i++)
queue[i] = null;
size = 0;
}
private void fixUp(int k) {
while (k > 1) {
int j = k >> 1;
if (queue[j].nextExecutionTime <= queue[k].nextExecutionTime)
break;
TimerTask tmp = queue[j]; queue[j] = queue[k]; queue[k] = tmp;
k = j;
}
}
private void fixDown(int k) {
int j;
while ((j = k << 1) <= size && j > 0) {
if (j < size &&
queue[j].nextExecutionTime > queue[j+1].nextExecutionTime)
j++; // j indexes smallest kid
if (queue[k].nextExecutionTime <= queue[j].nextExecutionTime)
break;
TimerTask tmp = queue[j]; queue[j] = queue[k]; queue[k] = tmp;
k = j;
}
}
void heapify() {
for (int i = size/2; i >= 1; i--)
fixDown(i);
}
}可以看到其实TaskQueue内部就是基于数组实现了一个最小堆 (balanced binary heap), 堆中元素根据 执行时间nextExecutionTime排序，执行时间最早的任务始终会排在堆顶。这样工作线程每次检查的任务就是当前最早需要执行的任务。堆的初始大小为128，有简单的倍增扩容机制。
2.4、其他方法
TimerTask 任务有四种状态：
-
VIRGIN： 任务刚刚创建，还没有schedule
-
SCHEDULED：任务已经schedule，进入到队列中
-
EXECUTED： 任务已执行/执行中
-
CANCELLED：任务已取消
Timer 还提供了cancel和purge方法
-
cancel，清除队列中所有任务，工作线程退出。
-
purge，清除队列中所有状态置为取消的任务。
2.5、常见应用实现
Java的Timer广泛被用于实现异步任务系统，在一些开源项目中也很常见， 例如消息队列RocketMQ的 延时消息/消费重试 中的异步逻辑。
public void start() {
if (started.compareAndSet(false, true)) {
super.load();
// 新建了一个timer
this.timer = new Timer("ScheduleMessageTimerThread", true);
for (Map.Entry entry : this.delayLevelTable.entrySet()) {
// ...
}
// 调用了Timer的scheduleAtFixedRate方法
this.timer.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {
@Override
public void run() {
try {
if (started.get()) {
ScheduleMessageService.this.persist();
}
} catch (Throwable e) {
log.error("scheduleAtFixedRate flush exception", e);
}
}
}, 10000, this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getFlushDelayOffsetInterval());
}
} 上面这段代码是RocketMQ的延时消息投递任务 ScheduleMessageService 的核心逻辑，就是使用了Timer实现的异步定时任务。
三、总结
不管是实现简单的异步逻辑，还是构建复杂的任务系统，Java的Timer确实是一个方便实用，而且又稳定的工具类。从Timer的实现原理，我们也可以窥见定时系统的一个基础实现：线程循环 + 优先队列。这对于我们自己去设计相关的系统，也会有一定的启发。
设计亮点个人总结：
-
流程中加了一些锁，用来避免TimeTask同时加入TimerTaskQueue、对TimeTsk修改所带来的并发问题
-
通过newTasksMayBeScheduled 来控制工作线程对TimerTaskQueue的执行
-
采用小根堆算法来对TimerTaskQueue进行优先级排序
-
工作线程通过循环来执行TimerTaskQueue的任务，还判断并处理了Task的状态机及流转