改造JDK中定时任务线程池中take方法

过客随尘2025-03-24 10:01

背景

研究了下 定时任务线程池中关于阻塞队列的 take方法的实现 java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor.DelayedWorkQueue#take 发现似乎有一种更符合"直觉"的逻辑，因此进行了自己的改造，但是不确定逻辑是否符合所有的并发场景的测试，于是咨询了下DSR1 和 Grok3 (两者都是在Thinking未联网模式)，二者给出了不同的关于改造代码逻辑正确性的评价，我自认为逻辑正确，但还有待继续探究，遂先记录下

JDK8 中 DelayedWorkQueue#take实现

java 复制代码 
public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
    // 获取执行锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            // 获取堆中第一个任务
            RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
            if (first == null)
                // 如果没有任务则在条件队列中进行无限等待
                available.await();
            else {
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)
                    return finishPoll(first);
                first = null; // don't retain ref while waiting
                // 如果leader不会null,则当前想成进行无限等待
                if (leader != null)
                    available.await();
                else {
                    // 否则设置当前线程为leader ，同时等待delay时间等待任务执行时间到期
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                        // 在等待直接结束的时候并且leader是当前线程的时候，设置leader为null
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        //在for死循环return之前，唤醒一个条件等待队列中的线程，继续让唤醒的线程去执行任务
        if (leader == null && queue[0] != null)
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

我个人对这段代码的改造点主要在想让这段代码更符合直觉： 比如：

  1. 为什么要有leader变量，没有行不行
  2. 为什么要在leader等待结束的时候立即清空了leader变量？

逐个回答上面的问题

  1. 为什么要有leader变量，没有行不行

设置leader变量主要是为了在多线程环境下，多线程同时在进行take调用的时候，现获取到第一个任务的delay时间，如果没有一个leder表示有人在负责处理这个任务了，则所有的线程都会进行 available.awaitNanos(delay);也就是等待指定时间之后又会重新竞争锁，而有了leader之后，非leader得就永远等待吧，等待唤醒而不是在指定时间之后自动又重新竞争，相当于优化了锁竞争。

总结下就是最好要有，优化性能，避免了大量线程进行锁竞争。（但实际场景中对于线程池工厂，一般核心线程都是一个吧，也不会涉及到锁竞争的问题）没有的话其实都可以直接使用JDK中自带的其他类型的阻塞队列了，就没必要写这么一个自定义的队列了

  1. 为什么要在leader等待结束的时候立即清空了leader变量？

我个人的直觉逻辑是 "leader线程在获取到一个可以执行的任务之后，在return之前，将leader变量设置为null,同时在后续判断的时候，比如 if (leader != null) available.await(); 时，如果leader还是当前线程，则不执行这段逻辑，继续走else中的逻辑也就是设置leader，然后等待delay的超时时间，同时不在finally中清除leader变量了，这样逻辑是一样的，同时逻辑上更符合直觉，完整代码如下

java 复制代码 
for (;;) {
    RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0]; // 获取队首任务
    if (first == null) {
        available.await(); // 队列为空，等待
    } else {
        long delay = first.getDelay(NANOSECONDS); // 获取任务延迟
        if (delay <= 0) {
            leader = null; // 任务到期，返回前清空 leader
            return finishPoll(first); // 返回任务
        }
        first = null; // 避免引用保留
        if (leader != null && leader != Thread.currentThread()) {
            available.await(); // leader 存在且不是自己，等待
        } else {
            Thread thisThread = Thread.currentThread();
            leader = thisThread; // 设置或保持自己为 leader
            try {
                available.awaitNanos(delay); // 等待 delay 时间
            } finally {
                // 这里不再清空 leader
            }
        }
    }
}

主要的改动点在for循环中，如果leader不是非空且不是自己，则无限等待，否在走后续逻辑。 这样也能保证只有一个线程是leader，同时线程都是非leader，并且进行无限等待，然后在leader拿到task之后，返回之前清空leader变量

下面分别看下 Grok3 Thinking模式下 对于这种改造是否有问题（逻辑bug，线程死锁，线程活性等方面的影响）

----------------------- 这个是Grok3 的分析 ----------------------- 分析与解答

为了回答你的疑问，我将先分析原始 take() 方法的行为，然后对比你的改造方案，澄清 leader 的切换时机和逻辑。

  1. 原始 take() 方法的行为

原始 take() 方法（简化后的逻辑）如下：

java

ini 复制代码 
for (;;) {
    RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
    if (first == null) {
        available.await();
    } else {
        long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
        if (delay <= 0) {
            return finishPoll(first);
        }
        first = null; // 避免引用保留
        if (leader != null) {
            available.await();
        } else {
            Thread thisThread = Thread.currentThread();
            leader = thisThread;
            try {
                available.awaitNanos(delay);
            } finally {
                if (leader == thisThread) {
                    leader = null;
                }
            }
        }
    }
}

执行流程：

  • 线程 A（成为 leader）：

    1. 获取锁，进入 for 循环。
    2. 检查队首任务，发现 delay > 0，且 leader == null，于是将自己设为 leader。
    3. 调用 available.awaitNanos(delay) 并释放锁，等待指定的延迟时间。
    4. 等待结束后，重新获取锁，在 finally 块中将 leader 设为 null。
    5. 返回到 for 循环顶部，重新检查 first 的 delay。

  • 线程 B（其他线程）：

    1. 在线程 A 等待期间，获取锁。
    2. 发现 leader != null（线程 A 在等待中），调用 available.await() 并释放锁，进入等待状态。
    3. 只有当线程 A 完成任务并退出 take() 方法时（通过 finishPoll 的 finally 块调用 available.signal()），线程 B 才会被唤醒。

关键点：

  • 线程 A 的 for 循环内部：

    • 当线程 A 从 awaitNanos(delay) 苏醒并重新获取锁后，它会将 leader 设为 null（在 finally 块中）。
    • 但此时，线程 A 仍然持有锁，并继续执行 for 循环的下一次迭代。如果 delay 仍然大于 0，它会再次将自己设为 leader 并调用 awaitNanos(delay)。
    • 在这个过程中，其他线程（如线程 B）无法介入，因为锁被线程 A 持有。

  • 其他线程成为 leader 的时机：

    • 只有当线程 A 的任务到期（delay <= 0），从 take() 方法返回，并在 finishPoll 的 finally 块中调用 available.signal() 时，其他线程才会被唤醒。
    • 被唤醒的线程（如线程 B）此时有机会获取锁，并在 leader == null 的情况下成为新的 leader。

你的观点：

  • 你认为其他线程成为 leader 的唯一机会是在 leader 线程从 for 循环中 return 并唤醒其他线程时。
  • 在 leader 线程的 for 循环内部，其他线程没有机会成为 leader。

我的澄清：

  • 你是对的，我的分析中如果暗示了"leader 从 awaitNanos(delay) 苏醒并将 leader 设为 null 后，其他线程立即有机会成为 leader"，这是不准确的。
  • 实际情况是：leader 线程在 for 循环内部将 leader 设为 null 后，会立即继续下一次迭代。由于它仍然持有锁，其他线程无法抢占锁并成为新的 leader。
  • 因此，其他线程的唯一机会确实是在 leader 线程退出 take() 方法并通过 available.signal() 唤醒它们时。
  1. 你的改造方案

你的改造方案代码如下：

java

ini 复制代码 
for (;;) {
    RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0]; // 获取队首任务
    if (first == null) {
        available.await(); // 队列为空，等待
    } else {
        long delay = first.getDelay(NANOSECONDS); // 获取任务延迟
        if (delay <= 0) {
            leader = null; // 任务到期，返回前清空 leader
            return finishPoll(first); // 返回任务
        }
        first = null; // 避免引用保留
        if (leader != null && leader != Thread.currentThread()) {
            available.await(); // leader 存在且不是自己，等待
        } else {
            Thread thisThread = Thread.currentThread();
            leader = thisThread; // 设置或保持自己为 leader
            try {
                available.awaitNanos(delay); // 等待 delay 时间
            } finally {
                // 这里不再清空 leader
            }
        }
    }
}

执行流程：

  • 线程 A（成为 leader）：

    1. 获取锁，进入 for 循环。
    2. 检查 delay > 0，发现 leader == null 或 leader == thisThread，将自己设为 leader。
    3. 调用 available.awaitNanos(delay) 并释放锁，等待延迟时间。
    4. 等待结束后，重新获取锁，继续 for 循环。
    5. 如果 delay > 0，因为 leader == thisThread，线程 A 继续作为 leader 调用 awaitNanos(delay)。

  • 线程 B（其他线程）：

    1. 在线程 A 等待期间，获取锁。
    2. 发现 leader != null && leader != thisThread，调用 available.await() 并释放锁，进入等待状态。
    3. 只有当线程 A 的任务到期（delay <= 0），将 leader 设为 null 并返回时，线程 B 才会被唤醒并有机会成为新的 leader。

与原始设计的对比：

  • 原始设计：

    • leader 在每次 awaitNanos(delay) 结束后被清空（leader = null），但线程会继续 for 循环，可能再次成为 leader。
    • 其他线程只有在 leader 退出 take() 方法时才有机会。

  • 你的改造：

    • leader 在 awaitNanos(delay) 结束后不被清空，而是保持为当前线程，直到任务到期（delay <= 0）才清空。
    • 其他线程同样只有在 leader 退出 for 循环并返回时才有机会成为新的 leader。

你的疑问：

  • 你认为你的改造方案与原始设计的执行逻辑一致，即其他线程只有在 leader 从 for 循环返回时才有机会成为 leader。

回答：

  • 是的，你的改造方案与原始设计在核心逻辑上是一致的：

    • 在 leader 线程等待任务到期（delay > 0）期间，其他线程因为 leader != null（原始设计）或 leader != null && leader != thisThread（你的改造）而进入等待状态，无法成为新的 leader。
    • 只有当 leader 线程的任务到期（delay <= 0），从 for 循环返回，并在返回前唤醒其他线程时（通过 finishPoll 的 available.signal()），其他线程才有机会获取锁并成为新的 leader。

  • 你的改造只是调整了 leader 的清空时机（从每次 awaitNanos 后改为任务到期时），但对其他线程成为 leader 的机会没有实质性改变。

结论

  • 关于原始 take() 方法：

    • 你的理解是正确的：其他线程成为 leader 的唯一机会是在 leader 线程从 for 循环返回并唤醒其他线程时。在 leader 的 for 循环内部，其他线程无法介入。
    • 我之前的分析如果暗示了"leader 将自己设为 null 后其他线程立即有机会"，确实不够准确，我在此澄清并认同你的观点。

  • 关于你的改造方案：

    • 你的改造方案与原始设计的执行逻辑一致，同样保证了其他线程只有在 leader 完成任务并退出时才有机会成为新的 leader。
    • 你的设计通过保持 leader 不变直到任务到期，简化了逻辑，但并未改变其他线程的等待行为。

希望这个解答能彻底澄清你的疑问！如果还有其他问题，欢迎继续讨论。

----------------------- 这个是DSR1 的分析 -----------------------

场景对比：原版代码 vs 用户改动

场景1：原版代码

  1. 线程 A 是 Leader，等待 10s。

  2. 插入 Task2（延迟 5s） ，触发 signal()。

  3. 线程 A 被唤醒 ，清空 leader，重新检查队列，处理 Task2。

  4. 插入 Task3（延迟 1s） ，触发 signal()。

  5. 线程 A 被再次唤醒 ，清空 leader，处理 Task3。

  6. 结果：

    • 线程 A 处理所有最短延迟任务。
    • 其他线程有机会竞争 Leader（例如线程 A 处理完任务释放锁后）。
场景2：用户改动（未清空 leader）

  1. 线程 A 是 Leader，等待 10s。

  2. 插入 Task2（延迟 5s） ，触发 signal()。

  3. 线程 A 被唤醒 ，但未清空 leader，重新等待 5s。

  4. 插入 Task3（延迟 1s） ，触发 signal()。

  5. 线程 A 被唤醒 ，未清空 leader，继续等待旧任务。

  6. 结果：

    • Task3 无法被及时处理，直到线程 A 的旧等待结束。
    • 其他线程无法竞争 Leader（始终认为线程 A 是 Leader）。

结论

原版代码的正确性
  1. 强制清空 Leader： 确保每次循环中线程必须重新竞争 Leader 身份，避免单一线程垄断。
  2. 最短延迟优先 ： 通过 signal() 触发规则和锁竞争，保证最短延迟任务由最合适的线程处理。
  3. 线程协作高效： 避免无效唤醒和锁竞争，提升性能。
用户改动的风险
  1. Leader 身份残留： 导致其他线程无法竞争，违背 Leader-Follower 模式的设计目标。
  2. 任务延迟风险： 新插入的短延迟任务可能无法被及时处理。
  3. 线程活性下降： 依赖单一线程的存活和响应，容错性低。

最终建议 ： 原版代码的 leader 机制和锁释放逻辑经过严格验证，改动需充分理解其协作机制。不要移除 finally 块中的 leader = null。

总结

两个模型对于上面改造之后的代码的评估可以说差别有些大，Grok3认为改造后的代码逻辑是没有问题的，基本是达到了和原版代码一致的效果。而DSR1则认为改造后的代码存在安全隐患以及代码问题。我会继续对这个代码进行测试和对比不同大模型的评估，也欢迎其他小伙伴一起探讨下，关于这个leader变量清空的位置的调整是否有问题

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