ScheduledThreadPoolExecutor实现原理

时间：2021-07-04 09:21:26

自jdk1.5开始，Java开始提供ScheduledThreadPoolExecutor类来支持周期性任务的调度，在这之前，这些工作需要依靠Timer/TimerTask或者其它第三方工具来完成。但Timer有着不少缺陷，如Timer是单线程模式，调度多个周期性任务时，如果某个任务耗时较久就会影响其它任务的调度；如果某个任务出现异常而没有被catch则可能导致唯一的线程死掉而所有任务都不会再被调度。ScheduledThreadPoolExecutor解决了很多Timer存在的缺陷。

先来看看ScheduledThreadPoolExecutor的实现模型，它通过继承ThreadPoolExecutor来重用线程池的功能，里面做了几件事情：

  • 为线程池设置了一个DelayedWorkQueue，该queue同时具有PriorityQueue（优先级大的元素会放到队首）和DelayQueue（如果队列里第一个元素的getDelay返回值大于0，则take调用会阻塞）的功能
  • 将传入的任务封装成ScheduledFutureTask，这个类有两个特点，实现了java.lang.Comparable和java.util.concurrent.Delayed接口，也就是说里面有两个重要的方法：compareTo和getDelay。ScheduledFutureTask里面存储了该任务距离下次调度还需要的时间（使用的是基于System#nanoTime实现的相对时间，不会因为系统时间改变而改变，如距离下次执行还有10秒，不会因为将系统时间调前6秒而变成4秒后执行）。getDelay方法就是返回当前时间（运行getDelay的这个时刻）距离下次调用之间的时间差；compareTo用于比较两个任务的优先关系，距离下次调度间隔较短的优先级高。那么，当有任务丢进上面说到的DelayedWorkQueue时，因为它有DelayQueue（DelayQueue的内部使用PriorityQueue来实现的）的功能，所以新的任务会与队列中已经存在的任务进行排序，距离下次调度间隔短的任务排在前面，也就是说这个队列并不是先进先出的；另外，在调用DelayedWorkQueue的take方法的时候，如果没有元素，会阻塞，如果有元素而第一个元素的getDelay返回值大于0（前面说过已经排好序了，第一个元素的getDelay不会大于后面元素的getDelay返回值），也会一直阻塞。
  • ScheduledFutureTask提供了一个run的实现，线程池执行的就是这个run方法。看看run的源码（本文的代码取自hotspot1.5.0_22，jdk后续版本的代码可能已经不一样了，如jdk1.7中使用了自己实现的DelayedWorkQueue，而不再使用PriorityQueue作为存储，不过从外面看它们的行为还是一样的，所以并不影响对ScheduledThreadPoolExecutor调度机制的理解）：
    public void run() {
        if (isPeriodic())
            runPeriodic();
        else
            ScheduledFutureTask.super.run();
    }

    如果不是周期性任务就直接执行任务（也就是else部分），这个主要是用于实现ScheduledThreadPoolExecutor#schedule(Callable callable, long delay, TimeUnit unit)和ScheduledThreadPoolExecutor#schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)，后面会讲到它们的实现，这里先关注周期任务的执行方式。周期性任务执行的是runPeriodic(),看下它的实现：

    private void runPeriodic() {
        boolean ok = ScheduledFutureTask.super.runAndReset();
        boolean down = isShutdown();
        // Reschedule if not cancelled and not shutdown or policy allows
        if (ok && (!down ||
                   (getContinueExistingPeriodicTasksAfterShutdownPolicy() &&
                    !isTerminating()))) {
            long p = period;
            if (p > 0)
                time += p;
            else
                time = triggerTime(-p);
            ScheduledThreadPoolExecutor.super.getQueue().add(this);
        }
        // This might have been the final executed delayed
        // task.  Wake up threads to check.
        else if (down)
            interruptIdleWorkers();
    }

    这里可以看到，先执行了任务本身（ScheduledFutureTask.super.runAndReset），这个调用有一个返回值，来看下它的实现：

    protected boolean runAndReset() {
        return sync.innerRunAndReset();
    }

    跟进去看下innerRunAndReset():

    boolean innerRunAndReset() {
        if (!compareAndSetState(0, RUNNING))
            return false;
        try {
            runner = Thread.currentThread();
            callable.call(); // don't set result
            runner = null;
            return compareAndSetState(RUNNING, 0);
        } catch(Throwable ex) {
            innerSetException(ex);
            return false;
        }
    }

    可以发现，这里需要关注的是第三个return，也就是如果任务执行出现了异常，会被catch且返回false.

    继续看runPeriodic()方法，if里面，如果刚才任务执行的返回值是true且线程池还在运行就在if块中的操作，如果线程池被关闭了就做else if里的操作。也就是说，如果之前的任务执行出现的异常返回了false，那么if里以及else if里的代码都不会执行了，那有什么影响？接下来看看if里做了什么。

    if里的代码很简单，分为两部分，一是计算这个任务下次调度的间隔，二是将任务重新放回队列中。回到出现异常的情况，如果刚才的任务执行出现了异常，就不会将任务再放回队列中，换而言之，也就是这个任务再也得不到调度了！但是，这并不影响其它周期任务的调度。

综上，可以看到，ScheduledThreadPoolExecutor执行周期性任务的模型就是：调度一次任务，计算并设置该任务下次间隔，将任务放回队列*线程池执行。这里的队列起了很大的作用，且有一些特点：距离下次调度间隔短的任务总是在队首，队首的任务若距离下次调度的间隔时间大于0就无法从该队列的take()方法中拿到任务。

接下来看看ScheduledThreadPoolExecutor#schedule(Callable callable, long delay, TimeUnit unit)和ScheduledThreadPoolExecutor#schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)这两个非周期性任务的实现方式，先看看它们的源码：

public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                   long delay,
                                   TimeUnit unit) {
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    ScheduledFutureTask<?> t =
        new ScheduledFutureTask<Boolean>(command, null, triggerTime(delay, unit));
    delayedExecute(t);
    return t;
}
public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                       long delay,
                                       TimeUnit unit) {
    if (callable == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    ScheduledFutureTask<V> t =
        new ScheduledFutureTask<V>(callable, triggerTime(delay, unit));
    delayedExecute(t);
    return t;
}
private void delayedExecute(Runnable command) {
    if (isShutdown()) {
        reject(command);
        return;
    }
    // Prestart a thread if necessary. We cannot prestart it
    // running the task because the task (probably) shouldn't be
    // run yet, so thread will just idle until delay elapses.
    if (getPoolSize() < getCorePoolSize())
        prestartCoreThread();
 
    super.getQueue().add(command);
}

实现方式也很简单，在创建ScheduledThreadPoolExecutor内部任务（即ScheduledFutureTask）的时候就将调度间隔计算并设置好，如果当前线程数小于设置的核心线程数，就启动一个线程（可能是线程池刚启动里面还没有线程，也可能是里面的线程执行任务时挂掉了。如果线程池中的线程挂掉了而又没有调用这些schedule方法谁去补充挂掉的线程？不用担心，线程池自己会处理的）去监听队列里的任务，然后将任务放到队列里，在任务执行间隔不大于0的时候，线程就可以拿到这个任务并执行。

周期性任务的入口（ScheduledThreadPoolExecutor#scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)和ScheduledThreadPoolExecutor#scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)）与非周期性任务是类似的，它们处理方式不同的地方在于前文说到的ScheduledFutureTask#run()中。

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