调度线程池ScheduledThreadPoolExecutor源码解析

JAVA旭阳
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前言

ScheduledThreadPoolExecutor可以用来很方便实现我们的调度任务，具体使用可以参考调度线程池ScheduledThreadPoolExecutor的正确使用姿势这篇文章，那大家知道它是怎么实现的吗，本文就带大家来揭晓谜底。

实现机制分析

我们先思考下，如果让大家去实现ScheduledThreadPoolExecutor可以周期性执行任务的功能，需要考虑哪些方面呢？

  1. ScheduledThreadPoolExecutor的整体实现思路是什么呢？

答： 我们是不是可以继承线程池类，按照线程池的思路，将任务先丢到阻塞队列中，等到时间到了，工作线程就从阻塞队列获取任务执行。

  1. 如何实现等到了未来的时间点就开始执行呢？

答： 我们可以根据参数获取这个任务还要多少时间执行，那么我们是不是可以从阻塞队列中获取任务的时候，通过条件队列的的awaitNanos(delay)方法，阻塞一定时间。

  1. 如何实现 任务的重复性执行呢？

答：这就更加简单了，任务执行完成后，把她再次加入到队列不就行了吗。

源码解析

类结构图

ScheduledThreadPoolExecutor的类结构图如上图所示，很明显它是在我们的线程池ThreadPoolExecutor框架基础上扩展的。

  • ScheduledExecutorService：实现了该接口，封装了调度相关的API
  • ThreadPoolExecutor：继承了该类，保留了线程池的能力和整个实现的框架
  • DelayedWorkQueue：内部类，延迟阻塞队列。
  • ScheduledFutureTask：延迟任务对象，包含了任务、任务状态、剩余的时间、结果等信息。

重要属性

通过ScheduledThreadPoolExecutor类的成员属性，我们可以了解它的数据结构。

  1. shutdown 后是否继续执行周期任务(重复执行)
private volatile boolean continueExistingPeriodicTasksAfterShutdown;
  1. shutdown 后是否继续执行延迟任务（只执行一次）
private volatile boolean executeExistingDelayedTasksAfterShutdown = true;
  1. 调用cancel()方法后，是否将该任务从队列中移除，默认false
private volatile boolean removeOnCancel = false;
  1. 任务的序列号，保证FIFO队列的顺序，用来比较优先级
private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong()
  1. ScheduledFutureTask延迟任务类
  • ScheduledFutureTask 继承 FutureTask，实现 RunnableScheduledFuture 接口，无论是 runnable 还是 callable，无论是否需要延迟和定时，所有的任务都会被封装成 ScheduledFutureTask。
  • 该类具有延迟执行的特点, 覆盖 FutureTask 的 run 方法来实现对延时执行、周期执行的支持。
  • 对于延时任务调用 FutureTask#run，而对于周期性任务则调用 FutureTask#runAndReset 并且在成功之后根据 fixed-delay/fixed-rate 模式来设置下次执行时间并重新将任务塞到工作队列。
  • 成员属性如下：
// 任务序列号
private final long sequenceNumber;
// 任务可以被执行的时间，交付时间，以纳秒表示
private long time;	
// 0 表示非周期任务
// 正数表示 fixed-rate（两次开始启动的间隔）模式的周期，
// 负数表示 fixed-delay（一次执行结束到下一次开始启动） 模式
private final long period;	
// 执行的任务对象
RunnableScheduledFuture<V> outerTask = this;
// 任务在队列数组中的索引下标， -1表示删除
int heapIndex;
  1. DelayedWorkQueue延迟队列
  • DelayedWorkQueue 是支持延时获取元素的阻塞队列， 内部采用优先队列 PriorityQueue（小根堆、满二叉树）存储元素。
  • 内部数据结构是数组，所以延迟队列出队头元素后需要让其他元素（尾）替换到头节点，防止空指针异常。
  • 成员属性如下：
// 初始容量
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;	
// 节点数量
private int size = 0;
// 存放任务的数组
private RunnableScheduledFuture<?>[] queue = 
    new RunnableScheduledFuture<?>[INITIAL_CAPACITY];	
// 控制并发用的锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();	
// 条件队列
private final Condition available = lock.newCondition();
//指定用于等待队列头节点任务的线程
private Thread leader = null;

提交延迟任务schedule()原理

延迟执行方法，并指定延迟执行的时间，只会执行一次。

  1. schedule()方法是延迟任务方法的入口。
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command,
                                   long delay,
                                   TimeUnit unit) {
    // 判空处理
    if (command == null || unit == null)
        throw new NullPointerException();
    // 将外部传入的任务封装成延迟任务对象ScheduledFutureTask
    RunnableScheduledFuture<?> t = decorateTask(command,
        new ScheduledFutureTask<Void>(command, null,
                                      triggerTime(delay, unit)));
    // 执行延迟任务
    delayedExecute(t);
    return t;
}
  1. decorateTask(...) 该方法是封装延迟任务
  • 调用triggerTime(delay, unit)方法计算延迟的时间。
// 返回【当前时间 + 延迟时间】，就是触发当前任务执行的时间
private long triggerTime(long delay, TimeUnit unit) {
    // 设置触发的时间
    return triggerTime(unit.toNanos((delay < 0) ? 0 : delay));
}
long triggerTime(long delay) {
    // 如果 delay < Long.Max_VALUE/2，则下次执行时间为当前时间 +delay
    // 否则为了避免队列中出现由于溢出导致的排序紊乱,需要调用overflowFree来修正一下delay
    return now() + ((delay < (Long.MAX_VALUE >> 1)) ? delay : overflowFree(delay));
}

// 下面这种情况很少，大家看不懂可以不用强行理解
// 如果某个任务的 delay 为负数，说明当前可以执行（其实早该执行了）。
// 阻塞队列中维护任务顺序是基于 compareTo 比较的，比较两个任务的顺序会用 time 相减。
// 那么可能出现一个 delay 为正数减去另一个为负数的 delay，结果上溢为负数，则会导致 compareTo 产生错误的结果
private long overflowFree(long delay) {
    Delayed head = (Delayed) super.getQueue().peek();
    if (head != null) {
        long headDelay = head.getDelay(NANOSECONDS);
        // 判断一下队首的delay是不是负数，如果是正数就不用管，怎么减都不会溢出
        // 否则拿当前 delay 减去队首的 delay 来比较看，如果不出现上溢，排序不会乱
		// 不然就把当前 delay 值给调整为 Long.MAX_VALUE + 队首 delay
        if (headDelay < 0 && (delay - headDelay < 0))
            delay = Long.MAX_VALUE + headDelay;
    }
    return delay;
}
  • 调用RunnableScheduledFuture的构造方法封装为延迟任务
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns) {
    super(r, result);
     // 任务的触发时间
    this.time = ns;
     // 任务的周期， 延迟任务的为0，因为不需要重复执行
    this.period = 0;
    // 任务的序号 + 1
    this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}
  • 调用decorateTask()方法装饰延迟任务
// 没有做任何操作，直接将 task 返回，该方法主要目的是用于子类扩展
protected <V> RunnableScheduledFuture<V> decorateTask(
    Runnable runnable, RunnableScheduledFuture<V> task) {
    return task;
}

提交周期任务scheduleAtFixedRate()原理

按照固定的评率周期性的执行任务，捕手renwu，一次任务的启动到下一次任务的启动的间隔

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();
    // 任务封装，【指定初始的延迟时间和周期时间】
    ScheduledFutureTask<Void> sft =new ScheduledFutureTask<Void>(command, null,
                                      triggerTime(initialDelay, unit), unit.toNanos(period));
    // 默认返回本身
    RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
    sft.outerTask = t;
    // 开始执行这个任务
    delayedExecute(t);
    return t;
}

提交周期任务scheduleWithFixedDelay()原理

按照指定的延时周期性执行任务，上一个任务执行完毕后，延时一定时间，再次执行任务。

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();
    // 任务封装，【指定初始的延迟时间和周期时间】，周期时间为 - 表示是 fixed-delay 模式
    ScheduledFutureTask<Void> sft = new ScheduledFutureTask<Void>(command, null,
                                      triggerTime(initialDelay, unit), unit.toNanos(-delay));
    RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
    sft.outerTask = t;
     // 开始执行这个任务
    delayedExecute(t);
    return t;
}

执行任务delayedExecute(t)原理

上面多种提交任务的方式，殊途同归，最终都会调用delayedExecute()方法执行延迟或者周期任务。

  • delayedExecute()方法是执行延迟任务的入口
private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
    // 线程池是 SHUTDOWN 状态，执行拒绝策略
    if (isShutdown())
        // 调用拒绝策略的方法
        reject(task);
    else {
        // 把当前任务放入阻塞队列
        super.getQueue().add(task);
        // 线程池状态为 SHUTDOWN 并且不允许执行任务了，就从队列删除该任务，并设置任务的状态为取消状态
        // 非主流程，可以跳过，不重点看了
        if (isShutdown() && !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) && remove(task))
            task.cancel(false);
        else
            // 开始执行了哈
            ensurePrestart();
    }
}
  • ensurePrestart()方法开启线程执行
// ThreadPoolExecutor#ensurePrestart
void ensurePrestart() {
    int wc = workerCountOf(ctl.get());
    // worker数目小于corePoolSize，则添加一个worker。
    if (wc < corePoolSize)
        // 第二个参数 true 表示采用核心线程数量限制，false 表示采用 maximumPoolSize
        addWorker(null, true);
    // corePoolSize = 0的情况，至少开启一个线程，【担保机制】
    else if (wc == 0)
        addWorker(null, false);
}

addWorker()方法实际上父类ThreadPoolExecutor的方法，这个方法在该文章 Java线程池源码深度解析中详细介绍过，这边做个总结：

  • 如果线程池中工作线程数量小于最大线程数，创建工作线程，执行任务。
  • 如果线程池重工作线程数量大于最大线程数，直接返回。

获取延迟任务take()原理

目前工作线程已经创建好了，工作线程开始工作了，它会从阻塞队列中获取延迟任务执行，这部分也是线程池里面的原理，不做展开，那我们看下它是如何实现延迟执行的? 主要关注如何从阻塞队列中获取任务。

  1. DelayedWorkQueue#take()方法获取延迟任务
  • 该方法会在上面的addWoker()方法创建工作线程后，工作线程中循环持续调用workQueue.take()方法获取延迟任务。
  • 该方法主要获取延迟队列中任务延迟时间小于等于0 的任务。
  • 如果延迟时间不小于0，那么调用条件队列的awaitNanos(delay)阻塞方法等待一段时间，等时间到了，延迟时间自然小于等于0了。
  • 获取到任务后，工作线程就可以开始执行调度任务了。
// DelayedWorkQueue#take()
public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加可中断锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        // 自旋
        for (;;) {
            // 获取阻塞队列中的头结点
            RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
            // 如果阻塞队列没有数据，为空
            if (first == null)
                // 等待队列不空，直至有任务通过 offer 入队并唤醒
                available.await();
            else {
                // 获取头节点的的任务还剩余多少时间才执行
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)
                    // 到达触发时间，获取头节点并调整堆，重新选择延迟时间最小的节点放入头部
                    return finishPoll(first);
                
                // 逻辑到这说明头节点的延迟时间还没到
                first = null;
                // 说明有 leader 线程在等待获取头节点，当前线程直接去阻塞等待
                if (leader != null)
                	// 当前线程阻塞
                    available.await();
                else {
                    // 没有 leader 线程，【当前线程作为leader线程，并设置头结点的延迟时间作为阻塞时间】
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        // 当前线程通过awaitNanos方法等待delay时间后，会自动唤醒，往后面继续执行
                        available.awaitNanos(delay);
                        // 到达阻塞时间时，当前线程会从这里醒来，进入下一轮循环，就有可能执行了
                    } finally {
                        // t堆顶更新，leader 置为 null，offer 方法释放锁后，
                        // 有其它线程通过 take/poll 拿到锁,读到 leader == null，然后将自身更新为leader。
                        if (leader == thisThread)
                            // leader 置为 null 用以接下来判断是否需要唤醒后继线程
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        // 没有 leader 线程并且头结点不为 null，唤醒阻塞获取头节点的线程，
        // 【如果没有这一步，就会出现有了需要执行的任务，但是没有线程去执行】
        if (leader == null && queue[0] != null)
            available.signal();
        // 解锁
        lock.unlock();
    }
}
  1. finishPoll()方法获取到任务后执行

该方法主要做两个事情， 获取头节点并调整堆，重新选择延迟时间最小的节点放入头部。

private RunnableScheduledFuture<?> finishPoll(RunnableScheduledFuture<?> f) {
    // 获取尾索引
    int s = --size;
    // 获取尾节点
    RunnableScheduledFuture<?> x = queue[s];
    // 将堆结构最后一个节点占用的 slot 设置为 null，因为该节点要尝试升级成堆顶，会根据特性下调
    queue[s] = null;
    // s == 0 说明 当前堆结构只有堆顶一个节点，此时不需要做任何的事情
    if (s != 0)
        // 从索引处 0 开始向下调整
        siftDown(0, x);
    // 出队的元素索引设置为 -1
    setIndex(f, -1);
    return f;
}

延迟任务运行的原理

从延迟队列中获取任务后，工作线程会调用延迟任务的run()方法执行任务。

  1. ScheduledFutureTask#run()方法运行任务
  • 调用isPeriodic()方法判断任务是否是周期性任务还是非周期性任务
  • 如果任务是非周期任务，就调用父类的FutureTask#run()执行一次
  • 如果任务是非周期任务，就调用父类的FutureTask#runAndReset(), 返回true会设置下一次的执行时间，重新放入线程池的阻塞队列中，等待下次获取执行
public void run() {
    // 是否周期性，就是判断 period 是否为 0
    boolean periodic = isPeriodic();
    // 根据是否是周期任务检查当前状态能否执行任务，不能执行就取消任务
    if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
        cancel(false);
    // 非周期任务，直接调用 FutureTask#run 执行一次
    else if (!periodic)
        ScheduledFutureTask.super.run();
    // 周期任务的执行，返回 true 表示执行成功
    else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
        // 设置周期任务的下一次执行时间
        setNextRunTime();
        // 任务的下一次执行安排，如果当前线程池状态可以执行周期任务，加入队列，并开启新线程
        reExecutePeriodic(outerTask);
    }
}
  1. FutureTask#runAndReset()执行周期性任务
  • 周期任务正常完成后任务的状态不会变化，依旧是 NEW，不会设置 outcome 属性。
  • 但是如果本次任务执行出现异常，会进入 setException 方法将任务状态置为异常，把异常保存在 outcome 中。
  • 方法返回 false，后续的该任务将不会再周期的执行
protected boolean runAndReset() {
    // 任务不是新建的状态了，或者被别的线程执行了，直接返回 false
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset, null, Thread.currentThread()))
        return false;
    boolean ran = false;
    int s = state;
    try {
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && s == NEW) {
            try {
                // 执行方法，没有返回值
                c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                // 出现异常，把任务设置为异常状态，唤醒所有的 get 阻塞线程
                setException(ex);
            }
        }
    } finally {
		// 执行完成把执行线程引用置为 null
        runner = null;
        s = state;
        // 如果线程被中断进行中断处理
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
    // 如果正常执行，返回 true，并且任务状态没有被取消
    return ran && s == NEW;
}
  1. ScheduledFutureTask#setNextRunTime()设置下次执行时间
  • 如果属性period大于0，表示fixed-rate模式，直接加上period时间即可。
  • 如果属性period小于等于0， 表示是fixed-delay模式， 调用triggerTime重新计算下次时间。
// 任务下一次的触发时间
private void setNextRunTime() {
    long p = period;
    if (p > 0)
        // fixed-rate 模式，【时间设置为上一次执行任务的时间 + p】，两次任务执行的时间差
        time += p;
    else
        // fixed-delay 模式，下一次执行时间是【当前这次任务结束的时间（就是现在） + delay 值】
        time = triggerTime(-p);
}
  1. ScheduledFutureTask#reExecutePeriodic(),重新放入阻塞任务队列，等待获取，进行下一轮执行
// ScheduledThreadPoolExecutor#reExecutePeriodic
void reExecutePeriodic(RunnableScheduledFuture<?> task) {
    if (canRunInCurrentRunState(true)) {
        // 【放入任务队列】
        super.getQueue().add(task);
        // 如果提交完任务之后，线程池状态变为了 shutdown 状态，需要再次检查是否可以执行，
        // 如果不能执行且任务还在队列中未被取走，则取消任务
        if (!canRunInCurrentRunState(true) && remove(task))
            task.cancel(false);
        else
            // 当前线程池状态可以执行周期任务，加入队列，并【根据线程数量是否大于核心线程数确定是否开启新线程】
            ensurePrestart();
    }
}

结束语

本文讲解了ScheduledThreadPoolExecutor执行的实现原理，如果对大家帮助的话，留下一个赞。

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