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线程池原理(四):ScheduledThreadPoolExecutor

时间:2019-06-18 02:40:00来源:IT技术作者:seo实验室小编阅读:55次「手机版」
 

scheduledthreadpoolexecutor

scheduledthreadpoolexecutor用于定时任务,这里的定时意义在于:

  1. 指定延时后执行任务。
  2. 周期性重复执行任务。

我们接着分析ScheduledThreadPoolExecutor源码,从类声明开始

类声明

public class ScheduledThreadPoolExecutor
        extends ThreadPoolExecutor
        implements scheduledexecutorservice {
    //……
}        

ScheduledThreadPoolExecutor继承了ThreadPoolExecutor,实现了ScheduledExecutorService。在线程池的基础上,实现了可调度的线程池功能。上一篇文章已经详细介绍了ThreadPoolExecutor,这里我们先看下ScheduledExecutorService的源码:

ScheduledExecutorService

//可调度的执行者服务接口
public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {

    //指定时延后调度执行任务
    public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                       long delay, TimeUnit unit);

    //指定时延后调度执行任务
    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                           long delay, TimeUnit unit);

    //指定时延后开始执行任务,以后每隔period的时长再次执行该任务
    public ScheduledFuture<?> scheduleatfixedrate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit);

    //指定时延后开始执行任务,以后任务执行完成后等待delay时长,再次执行任务
    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit);
}

ScheduledExecutorService实现了ExecutorService,并增加若干定时相关的接口。其中schedule方法用于单次调度执行任务。这里主要理解下后面两个方法。

  • scheduleAtFixedRate:该方法在initialDelay时长后第一次执行任务,以后每隔period时长,再次执行任务。注意,period是从任务开始执行算起的。开始执行任务后,定时器每隔period时长检查该任务是否完成,如果完成则再次启动任务,否则等该任务结束后才再次启动任务,看下图示例。

    这里写图片描述

  • scheduleWithFixDelay:该方法在initialDelay时长后第一次执行任务,以后每当任务执行完成后,等待delay时长,再次执行任务,看下图示例。

    这里写图片描述

schedule

ScheduledThreadPoolExecutor方法实现了ScheduledExecutorService,schedule方法调度的任务只执行一次。

先看下schedule方法的实现:

//delay时长后执行任务command,该任务只执行一次
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
      throw new NullPointerException();
    //这里的decorateTask方法仅仅返回第二个参数
    RunnableScheduledFuture<?> t = decorateTask(command,
                                                new ScheduledFutureTask<Void>(command, null,
                                                                              triggerTime(delay, unit)));
    //延时或者周期执行任务的主要方法
    delayedExecute(t);
    return t;
}

我们先屡下ScheduledFuture、RunnableScheduledFuture、ScheduledFutureTask的关系,看下类图

这里写图片描述

这个类图比较复杂,其中浅色部分都是我们已经学习过了,深色部分我们之前没有接触过,所以重点学习这几个类,从上往下依次看。

Delayed接口

Delayed接口提供了getDelay方法,该方法返回对象剩余时延。接口继承了Comparable接口,表示对象支持排序,看下该接口的定义:

//继承Comparable接口,表示该类对象支持排序
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    //返回该对象剩余时延
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

Delayed接口很简单,继续看ScheduledFuture接口。

ScheduledFuture接口

ScheduledFuture是延时的Future,仅仅继承了Delayed和Future接口,并没有添加其他方法,看下该接口的定义:

//仅仅继承了Delayed和Future接口
public interface ScheduledFuture<V> extends Delayed, Future<V> {
}

RunnableScheduledFuture接口

可运行的ScheduledFuture,该接口继承了ScheduledFuture和RunnableFuture接口。

public interface RunnableScheduledFuture<V> extends RunnableFuture<V>, ScheduledFuture<V> {
    //是否是周期任务,周期任务可被调度运行多次,非周期任务只被运行一次
    boolean isPeriodic();
}

ScheduledFutureTask类

该类是ScheduledThreadPoolExecutor的内部类,继承了FutureTask,实现了RunnableScheduledFuture接口。FutureTask我们在介绍线程池的时候讲过。先看下ScheduledFutureTask的构造方法:

ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
    //调用父类FutureTask的构造方法
    super(r, result);
    //time表示任务下次执行的时间
    this.time = ns;
    //周期任务,正数表示按照固定速率,负数表示按照固定时延
    this.period = period;
    //任务的编号
    this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}

这里需要注意几点,

  1. time表示任务下一次执行的时间,单位为纳秒。
  2. period=0表示该任务不是周期性任务,正数表示每隔period时长执行任务,负数表示任务执行完成后到下一次被调度运行的延时时间。
  3. sequenceNumber表示该任务的编号,通过线程池的sequencer成员变量从0开始生成编号。

继续看下getDelay方法:

getDelay

//实现Delayed接口的getDelay方法,返回任务开始执行的剩余时间
public long getDelay(TimeUnit unit) {
    return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}

这个方法其实就是任务开始执行的倒计时时间,通过任务预期执行时间减去当前时间获得,单位是纳秒。

compareTo

该方法实现了Comparable接口的compareTo方法,比较两个任务的”大小”。后面我们会讲到,可调度的线程池其实利用了可排序的延时队列,延时队列保存了ScheduledFutureTask任务,并且队列中的元素会根据开始执行的倒计时时间排序,剩余等待时间最少的将会被最先调度运行。这里排序策略就是根据compareTo方法实现的。

public int compareTo(Delayed other) {
    if (other == this)
      return 0;
    if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
      ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
      long diff = time - x.time;
      //小于0,说明当前任务的执行时间点早于other,要排在延时队列other的前面
      if (diff < 0)
        return -1;
      //大于0,说明当前任务的执行时间点晚于other,要排在延时队列other的后面
      else if (diff > 0)
        return 1;
      //如果两个任务的执行时间点一样,比较两个任务的编号,编号小的排在队列前面,编号大的排在队列后面
      else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
        return -1;
      else
        return 1;
    }
    //如果任务类型不是ScheduledFutureTask,通过getDelay方法比较
    long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
              other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
    return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}

setNextruntime

任务执行完后,设置下次执行的时间

private void setNextRunTime() {
    long p = period;
    //p>0,说明是固定速率运行的任务,在原来任务开始执行时间的基础上加上p即可
    if (p > 0)
      time += p;
    //p<0,说明是固定时延运行的任务,下次执行时间在当前时间(任务执行完成的时间)的基础上加上-p的时间
    else
      time = triggerTime(-p);
}

任务执行完成后需要确定下次执行的时间,如果任务是以固定速率运行的,下次开始执行时间就是上次任务开始执行时间加上period。如果任务是以固定延时执行的,下次开始执行时间就是当前时间(上次任务线束时间)加上period(取正值)。

cancel

取消任务的执行,重点关注将取消的任务从队列移除的逻辑。

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    //调用FutureTask的cancel方法
    boolean cancelled = super.cancel(mayInterruptIfRunning);
    //cancelled: 任务取消成功
    //removeOnCancel:任务取消后从队列移除
    //headIndex:任务原先处于二叉堆的位置
    if (cancelled && removeOnCancel && heapIndex >= 0)
      //从队列中移除,该方法是ThreadPoolExecutor的方法
      remove(this);
    //返回是否取消成功
    return cancelled;
}

run

ScheduledFutureTask重写了FutureTask的run方法。

public void run() {
    boolean periodic = isPeriodic();
    //如果当前状态下不能执行任务,则取消任务
    if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
      cancel(false);
    //不是周期性任务,执行一次任务即可,调用父类的run方法
    else if (!periodic)
      ScheduledFutureTask.super.run();
    //是周期性任务,调用FutureTask的runAndReset方法,方法执行完成后
    //重新设置任务下一次执行的时间,并将该任务重新入队,等待再次被调度
    else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
      setNextRunTime();
      reExecutePeriodic(outerTask);
    }
}

注释已经解释的很清楚了,重点看下FutureTask的runAndReset方法,该方法是为任务多次执行而设计的。runAndReset方法执行完任务后不会设置任务的执行结果,也不会去更新任务的状态,维持任务的状态为初始状态(NEW状态),这也是该方法和FutureTask的run方法的区别。

好了,讲完了ScheduledFutureTask,接着看ScheduledPoolExecutor源码。

通常我们通过submit或者execute方法将任务提交给线程池执行,这两个方法最终都是调用了schedule方法,前面已经讲过,schedule方法只会调度任务执行一次。那么ScheduledThreadPoolExecutor是怎样调度固定周期或延时的任务的呢?是通过scheduledAtFixedRate和scheduledAtFixedDelay方法实现的,我们先看下scheduledAtFixedRate源码:

scheduledAtFixedRate

关于该方法的说明,我们在ScheduledExecutorService接口已经说明过了,这里主要看下实现。

//注意,固定速率和固定时延,传入的参数都是Runnable,也就是说这种定时任务是没有返回值的
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();
    //创建一个有初始延时和固定周期的任务
    ScheduledFutureTask<Void> sft =
      new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                                    null,
                                    triggerTime(initialDelay, unit),
                                    unit.toNanos(period));
    RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
    //outerTask表示将会重新入队的任务
    sft.outerTask = t;
    //稍后说明
    delayedExecute(t);
    return t;
}

其实主要创建了一个带有初始延时和固定周期的任务,类似的,scheduledAtFixedDelay创建一个带有初始延时和任务间固定延时的任务。

scheduledAtFixedDelay

和scheduledAtFixedRate类似,唯一不同的地方在于在于创建的ScheduledFutureTask不同,FixedRate和FixedDelay也是通过ScheduledFutureTask体现的。这里不再展示代码了。

delayedExecute

前面讲到的schedule、scheduleAtFixedRate和scheduleAtFixedDelay最后都调用了delayedExecute方法,该方法是定时任务执行的主要方法。看下delayedExecute源码:

private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
    //线程池已经关闭,调用拒绝执行处理器处理
    if (isShutdown())
      reject(task);
    else {
      //将任务加入到等待队列
      super.getqueue().add(task);
      //线程池已经关闭,且当前状态不能运行该任务,将该任务从等待队列移除并取消该任务
      if (isShutdown() &&
          !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
          remove(task))
        task.cancel(false);
      else
        //增加一个worker,就算corePoolSize=0也要增加一个worker
        ensurePrestart();
    }
}

delayedExecute方法的逻辑也很简单,主要就是将任务添加到等待队列并增加一个worker,增加的worker并不能立即执行该任务,因为该任务可能要等待一定时间后才能执行。

对于ScheduledThreadPoolExecutor,worker添加到线程池后会在等待队列上等待获取任务,这点是和ThreadPoolExecutor一致的。但是worker是怎么从等待队列取定时任务的?该等待队列队首应该保存的是最近将要执行的任务,如果队首任务的开始执行时间还未到,worker也应该继续等待。

ScheduledThreadPoolExecutor实现了一个延时队列,该队列不仅实现了阻塞队列的功能,也实现了排序功能。后面我们会发现,该队列是通过二叉堆实现的,理解了该队列基本上能够理解ScheduledThreadPoolExecutor了,因此我们好好学习下该队列。

ScheduledThreadPoolExecutor内部类DelayedWorkQueue就是保存定时任务的等待队列。

DelayedWorkQueue

看下DelayedWorkQueue的声明:

static class DelayedWorkQueue extends AbstractQueue<Runnable>
        implements blockingqueue<Runnable> {
        //……
}

DelayedWorkQueue继承了AbstractQueue抽象类、实现了BlockingQueue接口。

理解DelayedWorkQueue之前需要理解堆排序,这里的堆排序算法和DelayedWorkQueue的稍有不同,但是基本思想是相同的。

堆排序是通过数组实现的,因此DelayedWorkQueue定义了一个数组作为等待队列。

//队列初始容量
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
//数组用来存储定时任务,通过数组实现堆排序
private RunnableScheduledFuture[] queue = new RunnableScheduledFuture[INITIAL_CAPACITY];

DelayedWorkQueue保存了当前在队首等待的线程:

private Thread leader = null;

当一个线程成为leader,它只要等待队首任务的delay时间即可,其他线程会无条件等待。leader取到任务返回前要通知其他线程,直到有线程成为新的leader。每当队首的定时任务被其他更早需要执行的任务替换时,leader设置为null,其他等待的线程(被当前leader通知)和当前的leader重新竞争成为leader。

DelayedWorkQueue定义了锁lock和条件available用于线程竞争成为leader。

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition available = lock.newCondition();

当一个新的任务成为队首,或者需要有新的线程成为leader时,available条件将会被通知。

线程取任务时需要在available条件上等待,当被通知时,该线程可能会成为新的leader。

我们先看下DelayedWorkQueue的take方法

take

public RunnableScheduledFuture take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      for (;;) {
        //取堆顶的任务,堆顶是最近要执行的任务
        RunnableScheduledFuture first = queue[0];
        //堆顶为空,线程要在条件available上等待
        if (first == null)
          available.await();
        else {
          //堆顶任务还要多长时间才能执行
          long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
          //堆顶任务已经可以执行了,finishPoll会重新调整堆,使其满足最小堆特性,该方法设置任务在
          //堆中的index为-1并返回该任务
          if (delay <= 0)
            return finishPoll(first);
          //如果leader不为空,说明已经有线程成为leader并等待堆顶任务
          //到达执行时间,此时,其他线程都需要在available条件上等待
          else if (leader != null)
            available.await();
          else {
            //leader为空,当前线程成为新的leader
            Thread thisThread = Thread.currentThread();
            leader = thisThread;
            try {
              //当前线程已经成为leader了,只需要等待堆顶任务到达执行时间即可
              available.awaitNanos(delay);
            } finally {
              //返回堆顶元素之前将leader设置为空
              if (leader == thisThread)
                leader = null;
            }
          }
        }
      }
    } finally {
      //通知其他在available条件等待的线程,这些线程可以去竞争成为新的leader
      if (leader == null && queue[0] != null)
        available.signal();
      lock.unlock();
    }
}

再梳理下take方法的逻辑

  • 如果堆顶元素为空,在available条件上等待。
  • 如果堆顶任务的执行时间已到,将堆顶元素替换为堆的最后一个元素并调整堆使其满足最小堆特性,同时设置任务在堆中索引为-1,返回该任务。
  • 如果leader不为空,说明已经有线程成为leader了,其他线程都要在available条件上等待。
  • 如果leader为空,当前线程成为新的leader,并等待直到堆顶任务执行时间到达。
  • take方法返回之前,将leader设置为空,并通知其他线程。

继续看下finishPool方法:

private RunnableScheduledFuture finishPoll(RunnableScheduledFuture f) {
    //堆元素数量减1
    int s = --size;
    //取堆的最后一个元素
    RunnableScheduledFuture x = queue[s];
    queue[s] = null;
    if (s != 0)
      //调整堆,使其重新满足最小堆特性,从位置0开始往堆的底层调整
      siftDown(0, x);
    //该任务在堆中的索引设置为-1
    setIndex(f, -1);
    //返回该任务
    return f;
}

offer

该方法往队列插入一个值,返回是否成功插入。

public boolean offer(Runnable x) {
    if (x == null)
      throw new NullPointerException();
    RunnableScheduledFuture e = (RunnableScheduledFuture)x;
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
      int i = size;
      //队列元素已经大于等于数组的长度,需要扩容,新堆的容易是原来堆容量的1.5倍
      if (i >= queue.length)
        grow();
      //堆中元素增加1
      size = i + 1;
      //调整堆
      if (i == 0) {
        queue[0] = e;
        setIndex(e, 0);
      } else {
        siftUp(i, e);
      }
      if (queue[0] == e) {
        leader = null;
        //通知其他在available条件上等待的线程,这些线程可以竞争成为新的leader
        available.signal();
      }
    } finally {
      lock.unlock();
    }
    return true;
}

siftUp

该方法是调整堆的方法,调整堆的目的是使其满足最小堆的特性。

//从位置k开始往堆顶方向查找,直到找到key保存的位置
private void siftUp(int k, RunnableScheduledFuture key) {
    while (k > 0) {
      //parent是父节点的索引
      int parent = (k - 1) >>> 1;
      RunnableScheduledFuture e = queue[parent];
      //如果父节点比子节点e的执行时间要早,说明已经符合最小堆的特性,跳出循环
      if (key.compareTo(e) >= 0)
        break;
      //子节点比父节点更早执行,将子节点位置的值替换为父节点
      queue[k] = e;
      setIndex(e, k);
      //继续往上查找
      k = parent;
    }
    //k是最终key存放的位置
    queue[k] = key;
    setIndex(key, k);
}

看下siftUp示例图,对于左边这个堆来说,在位置K处往堆顶方向查找key=12的位置,因为父节点值为23,大于12,因此将23移到位置K处,位置K上移到父节点所在位置,继续往堆顶方向查找key=12的位置。

如果查找key=50,因为父节点23小于50,因此位置K就是key=50的最终保存位置。

这里写图片描述

siftDown

该方法和siftUp方法类似

//从位置k处开始往下查找,找到key的保存位置
private void siftDown(int k, RunnableScheduledFuture key) {
    //从half开始,就不再有孩子节点的,这是一个优化
    int half = size >>> 1;
    while (k < half) {
      //左孩子位置
      int child = (k << 1) + 1;
      RunnableScheduledFuture c = queue[child];
      //右孩子位置
      int right = child + 1;
      //如果右孩子存在,并且右孩子比左孩子更早执行,更新c为右孩子
      if (right < size && c.compareTo(queue[right]) > 0)
        c = queue[child = right];
      //以上做的都是取两个孩子中更早执行的那个孩子节点,取到后和key比较
      //如果key比两个孩子都更早执行,位置k就是key的最终位置了,跳出循环
      if (key.compareTo(c) <= 0)
        break;
      //更早执行的孩子放到父节点处
      queue[k] = c;
      setIndex(c, k);
      //继续往下查找
      k = child;
    }
    queue[k] = key;
    setIndex(key, k);
}

看下siftDown的示例图,对于左边的堆来说,在位置K处开始往下查找key的位置,如果key=12,因为12小于两个孩子中的最小结点35,因此位置K就是key=12的最终保存位置。如果key=50,因为50大于两个孩子结点中的最小结点35,因此将35上移到父节点,位置K下移到35所在的位置,继续往堆底查找。

这里写图片描述

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