调度线程池ScheduledThreadPoolExecutor源码解析

曾经终败给现在 2023-09-26 15:53 49阅读 0赞

### 前言 ###

`ScheduledThreadPoolExecutor`可以用来很方便实现我们的调度任务，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。

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### 源码解析 ###

#### 类结构图 ####

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`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;
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1.  `shutdown` 后是否继续执行延迟任务（只执行一次）

private volatile boolean executeExistingDelayedTasksAfterShutdown = true;
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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;
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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()
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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;
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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;
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#### 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;
    }
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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;
    }
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*  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();
    }
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*  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;
    }
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#### 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;
    }
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#### 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;
    }
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#### 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();
        }
    }
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*  `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);
    }
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`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][Java]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();
        }
    }
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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;
    }
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#### 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);
        }
    }
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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;
    }
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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);
    }
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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();
        }
    }
    复制代码

### 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。

[format_png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/099d93c19bed8a66b437cd0199792a5e.webp?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/8bba8641cbf126cfb7b17cb96a4f6793.webp?x-oss-process=image/format,png
[Java]: https://juejin.cn/post/7156977709720010766