线程池ScheduledThreadPoolExecutor

Java中调度线程池ScheduledThreadPoolExecutor原理探究

一、 前言

前面讲解过Java中线程池ThreadPoolExecutor原理探究，ThreadPoolExecutor是Executors中一部分功能，下面来介绍另外一部分功能也就是ScheduledThreadPoolExecutor的实现，后者是一个可以在一定延迟时候或者定时进行任务调度的线程池。

二、 类图结构

 

Executors其实是个工具类，里面提供了好多静态方法，根据用户选择返回不同的线程池实例。
ScheduledThreadPoolExecutor继承了ThreadPoolExecutor并实现ScheduledExecutorService接口，关于ThreadPoolExecutor的介绍可以参考：
http://www.jianshu.com/p/3cc67876375f
线程池队列是DelayedWorkQueue，它是对delayqueue的优化，关于delayqueue参考：http://www.jianshu.com/p/2659eb72134b
ScheduledFutureTask是阻塞队列元素是对任务修饰。

构造函数：

 //使用改造后的delayqueue.
    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, TimeUnit.NANOSECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }

三、一个例子

// 任务间以固定时间间隔执行，延迟1s后开始执行任务，任务执行完毕后间隔2s再次执行，任务执行完毕后间隔2s再次执行，依次往复
    static void scheduleWithFixedDelay() throws InterruptedException, ExecutionException {
        ScheduledExecutorService executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(10);

        ScheduledFuture<?> result = executorService.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {
            public void run() {

                System.out.println(System.currentTimeMillis());

            }
        }, 1000, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);

        // 由于是定时任务，一直不会返回
        result.get();
        System.out.println("over");

    }
    // 相对开始加入任务的时间点固定频率执行：从加入任务开始算1s后开始执行任务，1+2s开始执行，1+2*2s执行，1+n*2s开始执行；
    // 但是如果执行任务时间大约2s则不会并发执行后续任务将会延迟。

    static void scheduleAtFixedRate() throws InterruptedException, ExecutionException {
        ScheduledExecutorService executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(10);

        ScheduledFuture<?> result = executorService.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            public void run() {

                System.out.println(System.currentTimeMillis());

            }
        }, 1000, 2000, TimeUnit.MILLISECONDS);

        // 由于是定时任务，一直不会返回
        result.get();
        System.out.println("over");
    }

    // 延迟1s后开始执行，只执行一次，没有返回值
    static void scheduleRunable() throws InterruptedException, ExecutionException {
        ScheduledExecutorService executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(10);

        ScheduledFuture<?> result = executorService.schedule(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("gh");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }

            }
        }, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

        System.out.println(result.get());

    }

    // 延迟1s后开始执行，只执行一次，有返回值
    static void scheduleCaller() throws InterruptedException, ExecutionException {
        ScheduledExecutorService executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(10);

        ScheduledFuture<String> result = executorService.schedule(new Callable<String>() {

            @Override
            public String call() throws Exception {

                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }

                return "gh";
            }

        }, 1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

        // 阻塞，直到任务执行完成
        System.out.print(result.get());

    }

三、 源码分析

3.1 schedule(Runnable command, long delay,TimeUnit unit)方法

public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                   long delay,
                                   TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();

    //装饰任务，主要实现public long getDelay(TimeUnit unit)和int compareTo(Delayed other)方法
    RunnableScheduledFuture<?> t = decorateTask(command,
        new ScheduledFutureTask<Void>(command, null,
                                      triggerTime(delay, unit)));
    //添加任务到延迟队列
    delayedExecute(t);
    return t;
}

private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {

    //如果线程池关闭了，则拒绝任务
    if (isShutdown())
        reject(task);
    else {
        //添加任务到队列
        super.getQueue().add(task);

        //再次检查线程池关闭
        if (isShutdown() &&
            !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
            remove(task))
            task.cancel(false);
        else
            //确保至少一个线程在处理任务，即使核心线程数corePoolSize为0
            ensurePrestart();
    }
}

void ensurePrestart() {
    int wc = workerCountOf(ctl.get());
    //增加核心线程数
    if (wc < corePoolSize)
        addWorker(null, true);
    //如果初始化corePoolSize==0，则也添加一个线程。
    else if (wc == 0)
        addWorker(null, false);
    }

上面做的首先吧runnable装饰为delay队列所需要的格式的元素，然后把元素加入到阻塞队列，然后线程池线程会从阻塞队列获取超时的元素任务进行处理，下面看下队列元素如何实现的。

//r为被修饰任务，result=null,ns为当前时间加上delay时间后的
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns) {
    super(r, result);
    this.time = ns;
    this.period = 0;
    this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

//通过适配器把runnable转换为callable
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
        this.callable = Executors.callable(runnable, result);
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

long triggerTime(long delay, TimeUnit unit) {
return triggerTime(unit.toNanos((delay < 0) ? 0 : delay));
}

关于FutureTask可以参考 http://www.jianshu.com/p/49541d720d5b
修饰后把当前任务修饰为了delay队列所需元素，下面看下元素的两个重要方法：

• 过期时间计算

  //元素过期算法，装饰后时间-当前时间，就是即将过期剩余时间
  public long getDelay(TimeUnit unit) {
    return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
  }

• 元素比较

  public int compareTo(Delayed other) {
    if (other == this) // compare zero ONLY if same object
        return 0;
    if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
        ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
        long diff = time - x.time;
        if (diff < 0)
            return -1;
        else if (diff > 0)
            return 1;
        else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
            return -1;
        else
            return 1;
    }
    long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
              other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
    return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
  }

schedule(Callable<V> callable,
long delay,
TimeUnit unit)和schedule(Runnable command, long delay,TimeUnit unit)类似。

compareTo作用是在加入元素到dealy队列时候进行比较，需要调整堆让最快要过期的元素放到队首。所以无论什么时候向队列里面添加元素，队首的都是最即将过期的元素。

3.2 scheduleWithFixedDelay(Runnable command,long initialDelay,long delay,TimeUnit unit)

定时调度：相邻任务间时间固定

    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit) {
        if (command == null || unit == null)
            throw new NullPointerException();
        if (delay <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();

        //修饰包装,注意这里是period=-delay<0
        ScheduledFutureTask<Void> sft =
            new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                                          null,
                                          triggerTime(initialDelay, unit),
                                          unit.toNanos(-delay));
        RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
        sft.outerTask = t;
        //添加任务到队列
        delayedExecute(t);
        return t;
    }
       //period为 delay时间
        ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
            super(r, result);
            this.time = ns;
            this.period = period;
            this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
        }

我们知道任务添加到队列后，工作线程会从队列获取并移除到期的元素，然后执行run方法，所以下面看看ScheduledFutureTask的run方法如何实现定时调度的

public void run() {

    //是否只执行一次
    boolean periodic = isPeriodic();

    //取消任务
    if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
        cancel(false);
    //只执行一次，调用schdule时候
    else if (!periodic)
        ScheduledFutureTask.super.run();

    //定时执行
    else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
        //设置time=time+period
        setNextRunTime();

        //重新加入该任务到delay队列
        reExecutePeriodic(outerTask);
    }
}

        private void setNextRunTime() {
            long p = period;
            if (p > 0)
                time += p;
            else//由于period=-delay所以执行这里，设置time=now()+delay
                time = triggerTime(-p);
        }

总结：定时调度是先从队列获取任务然后执行，然后在重新设置任务时间，在把任务放入队列实现的。
如果任务执行时间大于delay时间则等任务执行完毕后的delay时间后在次调用任务，不会同一个任务并发执行。

3.3 scheduleAtFixedRate(Runnable command,long initialDelay,long period,TimeUnit unit)

定时调度：相对起始时间点固定频率调用

public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                              long initialDelay,
                                              long period,
                                              TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    if (period <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    //装饰任务类，注意period=period>0，不是负的
    ScheduledFutureTask<Void> sft =
        new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                                      null,
                                      triggerTime(initialDelay, unit),
                                      unit.toNanos(period));
    RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
    sft.outerTask = t;
    //添加任务到队列
    delayedExecute(t);
    return t;
}

        private void setNextRunTime() {
            long p = period;
           //period=delay;
            if (p > 0)
                time += p;//由于period>0所以执行这里，设置time=time+delay
            else
                time = triggerTime(-p);
        }

总结：相对于上面delay，rate方式执行规则为时间为initdelday + n*period;时候启动任务，但是如果当前任务还没有执行完，要等到当前任务执行完毕后在执行一个任务。

四、 总结

调度线程池主要用于定时器或者延迟一定时间在执行任务时候使用。内部使用优化的DelayQueue来实现，由于使用队列来实现定时器，有出入队调整堆等操作，所以定时并不是非常非常精确。