JDK 中定时器是如何实现的

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第 830 次推文图片来自百度

往日回顾：

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正文

jdk中能够实现定时器功能的大致有三种方式：

java.util.Timer
java.util.concurrent.DelayQueue
java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor

静下心来，咱们一一探究。

一. java.util.Timer

示例代码：

/**
 * 安排指定的任务task在指定的时间firstTime开始进行重复的固定速率period执行
 * 每天中午12点都执行一次
 *
 * @author Fooisart
 * Created on 21:46 14-01-2019
 */
public class TimerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        Calendar calendar = Calendar.getInstance();
        calendar.set(Calendar.HOUR_OF_DAY, 12);//控制小时
        calendar.set(Calendar.MINUTE, 0);//控制分钟
        calendar.set(Calendar.SECOND, 0);//控制秒
        Date time = calendar.getTime();//执行任务时间为12:00:00

        //每天定时12:00执行操作，每隔2秒执行一次
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(new Date() + "执行任务。。。");
            }
        }, time, 1000 * 2);
    }
}

Demo中使用了Timer实现了一个定时任务，该任务在每天12点开始执行，并且每隔2秒执行一次。

顺手牵羊：查看源码时，无意发现Timer中有schedule与scheduleAtFixedRate，它俩都可以到约定时间按照指定时间间隔执行。然而它俩的区别是什么呢？官方解释：一个是Fixed-delay，一个是Fixed-rate。那么这两个词到底是什么意思呢？把demo中的代码运行一遍,然后把schedule换成scheduleAtFixedRate，就全部了然了。

示例代码中较为简洁，能看出控制执行时间的方法应该是 timer.schedule()，跟进去看源码：

public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period) {
        if (period <= 0)
            throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
        sched(task, firstTime.getTime(), -period);
    }

task 表示要执行的任务逻辑
firstTime 表示第一次执行的时间
period 表示每次间隔时间

继续跟进：

private void sched(TimerTask task, long time, long period) {
        //省略非重点代码
        synchronized(queue) {
            if (!thread.newTasksMayBeScheduled)
                throw new IllegalStateException("Timer already cancelled.");

            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;
            }

            queue.add(task);
            if (queue.getMin() == task)
                queue.notify();
        }
    }

这里其实做了两个事情

给task设定了一些参数，类似于初始化task。这里还给它加了把锁，可以思考一下为甚要在此初始化？为何要加锁？（不是本文范畴，各位伙伴自行思考）
把初始化后的task加入到queue中。

读到这里，我们还是没有看到到底是如何实现定时的？别着急，继续。进入queu.add(task)

/**
    * Adds a new task to the priority queue.
    */
   void add(TimerTask task) {
       // Grow backing store if necessary
       if (size + 1 == queue.length)
           queue = Arrays.copyOf(queue, 2*queue.length);

       queue[++size] = task;
       fixUp(size);
   }

这里注释提到，加入一个新任务到优先级队列中去。其实这里的TimerTask[]是一个优先级队列，使用数组存储方式。并且它的数据结构是heap。包括从fixUp()我们也能看出来，它是在保持堆属性，即堆化(heapify)。

那么能分析的都分析完了，还是没能看到定时是如何实现的？再次静下来想一想，定时任务如果想执行，首先得启动定时器。所有咱们再次关注构造方法。

Timer一共有4个构造方法，看最底层的：

public Timer(String name) {
        thread.setName(name);
        thread.start();
    }

可以看到，这里在启动一个thread，那么既然是一个Thread，那肯定就得关注它的 run()方法了。进入：

public void run() {
        try {
            mainLoop();
        } finally {
            // Someone killed this Thread, behave as if Timer cancelled
            synchronized(queue) {
                newTasksMayBeScheduled = false;
                queue.clear();  // Eliminate obsolete references
            }
        }
    }

继续进入mainLoop()：

/**
     * The main timer loop.  (See class comment.)
     */
    private void mainLoop() {
        while (true) {
            try {
                TimerTask task;
                boolean taskFired;
                synchronized(queue) {
                    //省略
                    long currentTime, executionTime；
                    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;
                        if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) {
                            if (task.period == 0) { // Non-repeating, remove
                                queue.removeMin();
                                task.state = TimerTask.EXECUTED;
                            } else { // Repeating task, reschedule
                                queue.rescheduleMin(
                                  task.period<0 ? currentTime   - task.period
                                                : executionTime + task.period);
                            }
                        }
                    }
                    if (!taskFired) // Task hasn't yet fired; wait
                        queue.wait(executionTime - currentTime);
                }
                if (taskFired)  // Task fired; run it, holding no locks
                    task.run();
            } catch(InterruptedException e) {
            }
        }
    }

从上述源码中，可以看出有两个重要的if

if (taskFired = (executionTime<=currentTime))，表示已经到了执行时间，那么下面执行任务就好了；
if (!taskFired)，表示未到执行时间，那么等待就好了。那么是如何等待的呢？再仔细一看，原来是调用了Object.wait(long timeout)。

到这里我们知道了，原来jdk中的定时器是这样实现的啊，等待是使用最简单的Object.wait()实现的啊！别着急，这里有个小提问：使用Therad.sleep()可以实现嘛？如果可以，为何不用呢？

java.util.concurrent.DelayQueue

比较细致地分析了java.util.Timer，DelayQueue也大同小异。整理一下心情，重新出发。

先上示例代码：

DelayQueue它本质上是一个队列，而这个队列里也只有存放Delayed的子类才有意义，所有定义了DelayTask：

public class DelayTask implements Delayed {
    private Date startDate  = new Date();
    public DelayTask(Long delayMillions) {
        this.startDate.setTime(new Date().getTime() + delayMillions);
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        long result = this.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)
                - o.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
        if (result < 0) {
            return -1;
        } else if (result > 0) {
            return 1;
        } else {
            return 0;
        }
    }

    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        Date now = new Date();
        long diff = startDate.getTime() - now.getTime();
        return unit.convert(diff, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
}
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        BlockingQueue<DelayTask> queue = new DelayQueue<>();
        DelayTask delayTask = new DelayTask(1000 * 5L);
        queue.put(delayTask);
        while (queue.size()>0){
            queue.take();
        }
    }

看main方法，主要做了三件事：

构造DelayTask，其中的延迟时间是5秒
将任务放入队列
从队列中取任务

DelayQueue跟刚才的Timer.TaskQueue是比较相似的，都是优先级队列，放入元素时，都得堆化(DelayQueue.put()如果元素满了，会阻塞。自行研究)。重点看queue.take()。

public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            for (;;) {
                E first = q.peek();
                if (first == null)
                    available.await();
                else {
                    long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                    if (delay <= 0)
                        return q.poll();
                    first = null; // don't retain ref while waiting
                    if (leader != null)
                        available.await();
                    else {
                        Thread thisThread = Thread.currentThread();
                        leader = thisThread;
                        try {
                            available.awaitNanos(delay);
                        } finally {
                            if (leader == thisThread)
                                leader = null;
                        }
                    }
                }
            }
        } finally {
            if (leader == null && q.peek() != null)
                available.signal();
            lock.unlock();
        }
    }

源码中出现了三次await字眼：

第一次是当队列为空时，等待；
第二次等待是因为，发现有任务，没有到执行时间，并且有准备执行的线程(leader)。咱们得讲理吧，既然已经有人在准备执行了，咱们就得等吧。
第三次是真正延时的地方了，available.awaitNanos(delay),此时也没有别的线程要执行，也就是我将要执行，所有等待剩下的延迟时间即可。

这里咱们明白了，DelayQueue的等待是通过Condition.await()来实现的。请注意，这里又有一个小问题了：Object.wait()与Conditon.await()有何异同？

java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor

由于ScheduledThreadPoolExecutor涉及到的线程池（ThreadPoolExecutor）内容较多，所有就不详细分析了，也考虑到读到这里，难免有些疲倦。直接简述一下结论：在创建ScheduledThreadPoolExecutor时，线程池的工作队列使用的是DelayedWorkQueue,它的take()方法，与DelayQueue.take()方法极其相似，也有三个等待。

至此，要结束了。总结一下，jdk中实现定时器一共有两种方式：

使用Object.wait()
使用Conditon.await()

还记得文中的两个小提问嘛：

使用Thread.sleep()可以实现嘛？如果可以，为何不用呢？
Object.wait()与Conditon.await()有何异同？

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