java timer 操作主线程

转载

梦想启航吧 2024-09-15 16:58:08

文章标签 java timer 操作主线程 java 算法执行时间定时任务 文章分类 Java 后端开发

1.简介

在Java 1.3版本中引入了Timer工具类，它是一个古老的定时器，通常与TimerTask和TaskQueue一起使用。Timer工具类的实现涉及到TimerTask类、Timer类、TimerQueue类和TimerThread类。其中，TimerQueue和TimerThread类与Timer类位于同一个类文件中，由Timer类内部调用。

然而，从Java 5开始，在并发包中引入了另一个定时器实现：ScheduledThreadPoolExecutor。ScheduledThreadPoolExecutor对Timer做了许多改进，并提供了更多的功能和工具，可以看作是对Timer的改进和替代。

为什么还要介绍Timer工具类呢？通过了解Timer的功能和它背后的原理，我们可以更好地对比和理解ScheduledThreadPoolExecutor。同时，ScheduledThreadPoolExecutor的一些改进思想在我们平时的编码工作中也可以借鉴。

先画上一张图，描述一下Timer的大致模型，Timer的模型很容易理解，即任务加入到任务队列中，由任务处理线程循环从任务队列取出任务执行

java timer 操作主线程_java

2.主要成员变量

Timer中用到的主要是两个成员变量：

TaskQueue：一个按照时间优先排序的队列，这里的时间是每个定时任务下一次执行的毫秒数（相对于1970年1月1日而言）
TimerThread：对TaskQueue里面的定时任务进行编排和触发执行，它是一个内部无限循环的线程。

//根据时间进行优先排序的队列    
private final TaskQueue queue = new TaskQueue();

//消费线程，对queue中的定时任务进行编排和执行
private final TimerThread thread = new TimerThread(queue);

//构造函数
public Timer(String name) {
        thread.setName(name);
        thread.start();
}

3.定时功能

Timer提供了三种定时模式：

一次性任务
按照固定的延迟执行（fixed delay）
按照固定的周期执行（fixed rate）

第一种比较好理解，即任务只执行一次；针对第一种，Timer提供了以下两个方法：

//在当前时间往后delay个毫秒开始执行
public void schedule(TimerTask task, long delay) {...}
//在指定的time时间点执行
public void schedule(TimerTask task, Date time) {...}

第二种Fixed Delay模式也提供了以下两个方法

//从当前时间开始delay个毫秒数开始定期执行，周期是period个毫秒数
public void schedule(TimerTask task, long delay, long period) {...}
从指定的firstTime开始定期执行，往后每次执行的周期是period个毫秒数
public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period){...}

它的工作方式是：

第一次执行的时间将按照指定的时间点执行(如果此时TimerThread不在执行其他任务)，如有其他任务在执行，那就需要等到其他任务执行完成才能执行。

从第二次开始，每次任务的执行时间是上一次任务开始执行的时间加上指定的period毫秒数。

如何理解呢，我们还是看代码

public static void main(String[] args) {
        TimerTask task1 = new DemoTimerTask("Task1");
        TimerTask task2 = new DemoTimerTask("Task2");
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(task1, 1000, 5000);
        timer.schedule(task2, 1000, 5000);
}
    
static class DemoTimerTask extends TimerTask {
        private String taskName;
        private DateFormat df = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss---");
        
        public DemoTimerTask(String taskName) {
            this.taskName = taskName;
        }
        
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(df.format(new Date()) + taskName + " is working.");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(df.format(new Date()) + taskName + " finished work.");
        }
}

task1和task2是几乎同时执行的两个任务，而且执行时长都是2秒钟，如果此时我们把第六行注掉不执行，我们将得到如下结果（和第三种Fixed Rate模式结果相同）：

13:42:58---Task1 is working.
13:43:00---Task1 finished work.
13:43:03---Task1 is working.
13:43:05---Task1 finished work.
13:43:08---Task1 is working.
13:43:10---Task1 finished work.

如果打开第六行，我们再看下两个任务的执行情况。我们是期望两个任务能够同时执行，但是Task2是在Task1执行完成后才开始执行（原因是TimerThread是单线程的，每个定时任务的执行也在该线程内完成，当多个任务同时需要执行时，只能是阻塞了），从而导致Task2第二次执行的时间是它上一次执行的时间（13:43:57）加上5秒钟（13:44:02）。

13:43:55---Task1 is working.
13:43:57---Task1 finished work.
13:43:57---Task2 is working.
13:43:59---Task2 finished work.
13:44:00---Task1 is working.
13:44:02---Task1 finished work.
13:44:02---Task2 is working.
13:44:04---Task2 finished work.

那如果此时还有个Task3也是同样的时间点和间隔执行会怎么样呢？

结论是：也将依次排队，执行的时间依赖两个因素：

1.上次执行的时间

2.期望执行的时间点上有没有其他任务在执行，有则只能排队了

我们接下来看下第三种Fixed Rate模式，我们将上面的代码稍作修改：

public static void main(String[] args) {
        TimerTask task1 = new DemoTimerTask("Task1");
        TimerTask task2 = new DemoTimerTask("Task2");
        
        Timer timer = new Timer();
        timer.scheduleAtFixedRate(task1, 1000, 5000);
        timer.scheduleAtFixedRate(task2, 1000, 5000);
}
    
static class DemoTimerTask extends TimerTask {
        private String taskName;
        private DateFormat df = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss---");
        
        public DemoTimerTask(String taskName) {
            this.taskName = taskName;
        }
        
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(df.format(new Date()) + taskName + " is working.");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(df.format(new Date()) + taskName + " finished work.");
        }
}

Task1和Task2还是在相同的时间点，按照相同的周期定时执行任务，我们期望Task1能够每5秒定时执行任务，期望的时间点是：14:21:47-14:21:52-14:21:57-14:22:02-14:22:07，实际上它能够交替着定期执行，原因是Task2也会定期执行，并且对TaskQueue的锁他们是交替着拿的（这个在下面分析TimerThread源码的时候会讲到）

14:21:47---Task1 is working.
14:21:49---Task1 finished work.
14:21:49---Task2 is working.
14:21:51---Task2 finished work.
14:21:52---Task2 is working.
14:21:54---Task2 finished work.
14:21:54---Task1 is working.
14:21:56---Task1 finished work.
14:21:57---Task1 is working.
14:21:59---Task1 finished work.
14:21:59---Task2 is working.
14:22:01---Task2 finished work.

4.TimerThread

上面我们主要讲了Timer的一些主要源码及定时模式，下面我们来分析下支撑Timer的定时任务线程TimerThread。

TimerThread大概流程图如下：

java timer 操作主线程_算法_02

TimerThread流程

源码解释如下：

private void mainLoop() {
        while (true) {
            try {
                TimerTask task;
                boolean taskFired;
                synchronized(queue) {
                    // 如果queue里面没有要执行的任务，则挂起TimerThread线程
                    while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)
                        queue.wait();
                    // 如果TimerThread被激活，queue里面还是没有任务，则介绍该线程的无限循环，不再接受新任务
                    if (queue.isEmpty())
                        break; 

                    long currentTime, executionTime;
                    // 获取queue队列里面下一个要执行的任务（根据时间排序，也就是接下来最近要执行的任务）
                    task = queue.getMin();
                    synchronized(task.lock) {
                        if (task.state == TimerTask.CANCELLED) {
                            queue.removeMin();
                            continue;  // No action required, poll queue again
                        }
                        currentTime = System.currentTimeMillis();
                        executionTime = task.nextExecutionTime;
                        // taskFired表示是否需要立刻执行线程，当task的下次执行时间到达当前时间点时为true
                        if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) {
                            //task.period==0表示这个任务只需要执行一次，这里就从queue里面删掉了
                            if (task.period == 0) { 
                                queue.removeMin();
                                task.state = TimerTask.EXECUTED;
                            } else { // Repeating task, reschedule
                                //针对task.period不等于0的任务，则计算它的下次执行时间点
                                //task.period<0表示是fixed delay模式的任务
                                //task.period>0表示是fixed rate模式的任务
                                queue.rescheduleMin(
                                  task.period<0 ? currentTime   - task.period
                                                : executionTime + task.period);
                            }
                        }
                    }
                    // 如果任务的下次执行时间还没有到达，则挂起TimerThread线程executionTime - currentTime毫秒数，到达执行时间点再自动激活
                    if (!taskFired) 
                        queue.wait(executionTime - currentTime);
                }
                // 如果任务的下次执行时间到了，则执行任务
                // 注意：这里任务执行没有另起线程，还是在TimerThread线程执行的，所以当有任务在同时执行时会出现阻塞
                if (taskFired)  
                    // 这里没有try catch异常，当TimerTask抛出异常会导致整个TimerThread跳出循环，从而导致Timer失效
                    task.run();
            } catch(InterruptedException e) {
            }
        }
}

5.TaskQueue

TaskQueue是Timer类文件中封装的一个队列数据结构，内部默认是一个长度128的TimerTask数组，当任务加入时，检测到数组将满将会自动扩容1倍，并对数组元素根据下次执行时间nextExecutionTime按时间从近到远进行排序。

```java

void add(TimerTask task) {

    // 检测数组长度，若不够则进行扩容

    if (size + 1 == queue.length)

        queue = Arrays.copyOf(queue, 2*queue.length);

// 任务入队
    queue[++size] = task;

// 排序
    fixUp(size);
}

```
fixUp方法实现：

```java

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;
    }
}

```
TaskQueue中除了fixUp方法外还有一个fixDown方法，这两个其实就是堆排序算法，在算法专题中再进行详细介绍，只要记住他们的任务就是按时间从近到远进行排序，最近的任务排在队首即可。

```java

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);

}

```