Java定时调度机制 - ScheduledExecutorService

我们知道，Java的定时调度可以通过Timer&TimerTask来实现。由于其实现的方式为单线程，因此从JDK1.3发布之后就一直存在一些问题，大致如下：

1. 多个任务之间会相互影响
2. 多个任务的执行是串行的，性能较低

ScheduledExecutorService在设计之初就是为了解决Timer&TimerTask的这些问题。因为天生就是基于多线程机制，所以任务之间不会相互影响（只要线程数足够。当线程数不足时，有些任务会复用同一个线程）。

除此之外，因为其内部使用的延迟队列，本身就是基于等待/唤醒机制实现的，所以CPU并不会一直繁忙。同时，多线程带来的CPU资源复用也能极大地提升性能。

如何使用

基本作用

因为ScheduledExecutorService继承于ExecutorService，所以本身支持线程池的所有功能。额外还提供了4种方法，我们来看看其作用。

/**
 * 带延迟时间的调度，只执行一次
 * 调度之后可通过Future.get()阻塞直至任务执行完毕
 */
1. public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
 long delay, TimeUnit unit);
/**
 * 带延迟时间的调度，只执行一次
 * 调度之后可通过Future.get()阻塞直至任务执行完毕，并且可以获取执行结果
 */
2. public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
 long delay, TimeUnit unit);
/**
 * 带延迟时间的调度，循环执行，固定频率
 */
3. public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
 long initialDelay,
 long period,
 TimeUnit unit);
/**
 * 带延迟时间的调度，循环执行，固定延迟
 */
4. public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
 long initialDelay,
 long delay,
 TimeUnit unit);

1. schedule Runnable

该方法用于带延迟时间的调度，只执行一次。调度之后可通过Future.get()阻塞直至任务执行完毕。我们来看一个例子。

@Test public void test_schedule4Runnable() throws Exception {
 ScheduledExecutorService service = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
 ScheduledFuture future = service.schedule(() -> {
 try {
 Thread.sleep(3000L);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("task finish time: " + format(System.currentTimeMillis()));
 }, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
 System.out.println("schedule finish time: " + format(System.currentTimeMillis()));
 System.out.println("Runnable future's result is: " + future.get() +
 ", and time is: " + format(System.currentTimeMillis()));
}

上述代码达到的效果应该是这样的：延迟执行时间为1秒，任务执行3秒，任务只执行一次，同时通过Future.get()阻塞直至任务执行完毕。

我们运行看到的效果的确和我们猜想的一样，如下图所示。

2. schedule Callable

在schedule Runnable的基础上，我们将Runnable改为Callable来看一下。

@Test public void test_schedule4Callable() throws Exception {
 ScheduledExecutorService service = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
 ScheduledFuture<String> future = service.schedule(() -> {
 try {
 Thread.sleep(3000L);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("task finish time: " + format(System.currentTimeMillis()));
 return "success";
 }, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);
 System.out.println("schedule finish time: " + format(System.currentTimeMillis()));
 System.out.println("Callable future's result is: " + future.get() +
 ", and time is: " + format(System.currentTimeMillis()));
}

运行看到的结果和Runnable基本相同，唯一的区别在于future.get()能拿到Callable返回的真实结果。

3. scheduleAtFixedRate

该方法用于固定频率地对一个任务循环执行，我们通过一个例子来看看效果。

@Test public void test_scheduleAtFixedRate() {
 ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(5);
 service.scheduleAtFixedRate(() -> {
 try {
 Thread.sleep(3000L);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("task finish time: " + format(System.currentTimeMillis()));
 }, 1000L, 1000L, TimeUnit.MILLISECONDS);
 System.out.println("schedule finish time: " + format(System.currentTimeMillis()));
 while (true) {
 }
}

在这个例子中，任务初始延迟1秒，任务执行3秒，任务执行间隔为1秒。我们来看看执行结果：

4. scheduleWithFixedDelay

该方法用于固定延迟地对一个任务循环执行，我们通过一个例子来看看效果。

@Test public void test_scheduleWithFixedDelay() {
 ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(5);
 service.scheduleWithFixedDelay(() -> {
 try {
 Thread.sleep(3000L);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 System.out.println("task finish time: " + format(System.currentTimeMillis()));
 }, 1000L, 1000L, TimeUnit.MILLISECONDS);
 System.out.println("schedule finish time: " + format(System.currentTimeMillis()));
 while (true) {
 }
}

在这个例子中，任务初始延迟1秒，任务执行3秒，任务执行间隔为1秒。我们来看看执行结果：

5. scheduleAtFixedRate和scheduleWithFixedDelay的区别

既然这两个方法都是对任务循环执行，那么他们又有何区别呢？通过jdk文档我们找到了答案。

直白地讲，scheduleAtFixedRate()为固定频率，scheduleWithFixedDelay()为固定延迟。固定频率是相对于任务执行的开始时间，而固定延迟是相对于任务执行的结束时间，这就是他们最根本的区别！

另外，从3和4的运行结果也能看出这些差异。

源码阅读初体验

一般源码的入口在于构造方法，我们来看看。

public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
 return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
 super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
 new DelayedWorkQueue());
}

在构造方法中我们看到以下信息：

1. ScheduledThreadPoolExecutor构造方法最终调用的是ThreadPoolExecutor构造方法
2. 阻塞队列使用的是DelayedWorkQueue

上述信息的第2点至关重要，但是限于篇幅，本文将不做深入分析。

接下来我们看看scheduleWithFixedDelay()方法，主要做了3件事情：

1. 入参校验，包括空指针、数字范围
2. 将Runnable包装成RunnableScheduledFuture
3. 延迟执行RunnableScheduledFuture

public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
 long initialDelay,
 long delay,
 TimeUnit unit) {
 // 1. 入参校验，包括空指针、数字范围
 if (command == null || unit == null)
 throw new NullPointerException();
 if (delay <= 0)
 throw new IllegalArgumentException();
 // 2. 将Runnable包装成`RunnableScheduledFuture`
 ScheduledFutureTask<Void> sft =
 new ScheduledFutureTask<Void>(command,
 null,
 triggerTime(initialDelay, unit),
 unit.toNanos(-delay));
 RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
 sft.outerTask = t;
 // 3. 延迟执行`RunnableScheduledFuture`
 delayedExecute(t);
 return t;
}

delayedExecute()这个方法从字面描述来看是延迟执行的意思，我们深入到这个方法里面去看看。

private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
 // 1. 线程池运行状态判断
 if (isShutdown())
 reject(task);
 else {
 // 2. 将任务添加到队列
 super.getQueue().add(task);
 // 3. 如果任务添加到队列之后，线程池状态变为非运行状态，
 // 需要将任务从队列移除，同时通过任务的`cancel()`方法来取消任务
 if (isShutdown() &&
 !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
 remove(task))
 task.cancel(false);
 // 4. 如果任务添加到队列之后，线程池状态是运行状态，需要提前启动线程
 else
 ensurePrestart();
 }
}

在线程池状态正常的情况下，最终会调用ensurePrestart()方法来完成线程的创建。主要逻辑有两个：

1. 当前线程数未达到核心线程数，则创建核心线程
2. 当前线程数已达到核心线程数，则创建非核心线程，不会将任务放到阻塞队列中，这一点是和普通线程池是不相同的

/**
 * Same as prestartCoreThread except arranges that at least one
 * thread is started even if corePoolSize is 0.
 */
void ensurePrestart() {
 int wc = workerCountOf(ctl.get());
 // 1. 当前线程数未达到核心线程数，则创建核心线程
 if (wc < corePoolSize)
 addWorker(null, true);
 // 2. 当前线程数已达到核心线程数，则创建非核心线程，
 // 2.1 不会将任务放到阻塞队列中，这一点是和普通线程池是不相同的
 else if (wc == 0)
 addWorker(null, false);
}

至此，除了DelayedWorkQueue延迟队列的源码还未分析，其他的我们都分析完了。

总结

首先，我们了解了ScheduledExecutorService的基本作用，然后在此基础上写了一些demo来做验证，得到的结果和基本作用是完全相同的。

然后，我们对其内部的实现原理和源代码做了初步的分析，知道了其和普通线程池是不同的地方在于：阻塞队列和创建线程的方式。