java线程池系列(3)-ScheduledThreadPoolExecutor

前言

定时执行任务是非常常见的需求，比如我们通常会使用spring或者quartz来实现定时任务，JDK本身也提供了多线程并发执行定时任务的框架，即ScheduledThreadPoolExecutor，它是基于优先级队列和ThreadPoolExecutor线程池技术来实现的，本篇介绍其实现的原理。如果你还不了解ThreadPoolExecutor，建议先行学习 ThreadPoolExecutor实现原理 。

优先级队列

ScheduledThreadPoolExecutor由于可以延时执行任务，甚至定时执行任务，其底层需要一个强大的队列来支撑，DelayedWorkQueue就是一个满足需求的优先级队列。

DelayedWorkQueue使用了二叉堆数据结构，内部使用一个数组来存储节点 ，二叉堆可以看作是近似的完全二叉树，二叉堆需要满足如下两个条件：

1、父结点的值总是>=任何一个子节点的值（最大堆），或者是父结点的值总是<=任何一个子节点的值（最小堆）。

2、每个结点的左子树和右子树都是一个二叉堆。

下面举一个最小二叉堆的例子，可以看到，除了h=4最后一层，其它层均为完全二叉树，节点总是从左往右填满，存储的时候，一层一层，从左往右存储，如下存储到数组中为[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

每当获取节点的时候，总是获取第一个节点，即内部数组结构索引为0的节点，获取后会破坏堆的结构，所以必须有新的节点来替代索引为0的位置，这时候需要使用一定的算法，如果是新增一个节点，节点会先追加到内部数组最后面，然后使用算法，确保添加后仍然保持堆结构。有兴趣可以查阅源码，并不是很复杂。

ScheduledThreadPoolExecutor实现细节

前面简单介绍了DelayedWorkQueue，在具体实现中，队列任务的类型为RunnableScheduledFuture，在使用时，任务最重要实现如下两个方法：

/**** 任务还需要多少时间才需要执行**/long getDelay(TimeUnit unit);/**** 用于比较，实现使用的是最小堆，决定在数组中的位置**/public int compareTo(T o);

对于一个RunnableScheduledFuture，最重要的两个属性为： time 和 period，time表示下次什么时候执行任务（想想我们可以延迟执行任务），period表示每隔多长时间执行一次任务（想想我们可以定时执行任务），period=0表示任务只执行一次。

我们从一个高的视角来看整个设计：

1、 优先队列中有两个重要的属性，lock和leader，lock是个排他锁，用于控制所有线程获取、删除、添加任务的并发操作，leader用于指向当前哪个线程正在等待第一个任务到期执行，如果有线程获取到锁，欲等待获取任务，但此时leader!=null，这时候，当前线程只能进入available条件等待状态，这样可以更加高效控制多个线程获取任务。这里要注意的是，如果leader!=null，但是这时候添加了一个新的任务，而且此任务加到索引为0的位置上了，也就是最先执行，这时候添加任务的线程会把leader置为null，因为最先执行的任务已经发生了变化，释放leader后其它线程才有机会执行最新那个任务。

2、创建 ScheduledThreadPoolExecutor 的时候，需要提供一个 corePoolSize参数，用于初始化ThreadPoolExecutor，所以当前如果线程数<=corePoolSize，那么每新增一个任务，都会创建一个新的工作线程，更多细节可以参考 ThreadPoolExecutor实现原理 。

3、leader属性是一个特别的存在，它用于表示谁在等待获取第一个任务，当有其他线程也需要等待第一个任务时，这时候需要直接进入条件等待(available条件)，而不是并发等待同一个任务。当为leader的线程获取到了任务，如果还有其它任务，就会唤醒条件等待的线程竞争leader。

4、当执行完一个任务的时候，如果为定时任务，这时候，需要重新计算下次执行的时间，然后重新添加到优先级队列中。这样来实现定时执行，这里要注意时间的计算规则，计算方式如下所示：

private void setNextRunTime() {            long p = period;            if (p > 0)                time += p;            else                time = triggerTime(-p);        }

如果定时执行的周期时间 period>>0，则下次执行时间 time += period，这里time为上一次执行的时间，从这里可以看出，间隔时间把任务的执行时间也计算进去了，比方说，一个任务，执行需要2S，每3S执行一次，真正执行时，真的就是3S出来一次结果，而不会受到任务需要执行2S的影响。

总结

了解DelayedWorkQueue的工作方式和ThreadPoolExecutor的原理是学习 ScheduledThreadPoolExecutor 的前提条件，ScheduledThreadPoolExecutor只是基于此作了比较简单的封装。如果觉得DelayedWorkQueue不好理解，可以先学习PriorityQueue(基于堆实现的优先队列)和DelayQueue(基于PriorityQueue实现的延时队列)。

到这里，如果你发现要实现高效的定时任务，又无法使用spring或者其它第三方框架，那么ScheduledThreadPoolExecutor绝对是首选方案。