【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

java 复制代码

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

java 复制代码

   // 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：

java 复制代码

    // 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：

java 复制代码

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

java 复制代码

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

java 复制代码

// 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

java 复制代码

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

java 复制代码

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。

java 复制代码

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<Integer, Long> 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