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。
