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Timer与TimerTask的真正原理&使用介绍

其实就Timer来讲就是一个调度器,而TimerTask呢只是一个实现了run方法的一个类,而具体的TimerTask需要由你自己来实现,例如这样:

Timer timer = new Timer(); timer.schedule(new TimerTask() {   public void run() {    System.out.println("abc");   } }, 200000 , 1000);

这里直接实现一个TimerTask(当然,你可以实现多个TimerTask,多个TimerTask可以被一个Timer会被分配到多个Timer中被调度,后面会说到Timer的实现机制就是说内部的调度机制),然后编写run方法,20s后开始执行,每秒执行一次,当然你通过一个timer对象来操作多个timerTask,其实timerTask本身没什么意义,只是和timer集合操作的一个对象,实现它就必然有对应的run方法,以被调用,他甚至于根本不需要实现Runnable,因为这样往往混淆视听了,为什么呢?也是本文要说的重点。

在说到timer的原理时,我们先看看Timer里面的一些常见方法:

public void schedule(TimerTask task, long delay)

这个方法是调度一个task,经过delay(ms)后开始进行调度,仅仅调度一次。

public void schedule(TimerTask task, Date time)

在指定的时间点time上调度一次。

public void schedule(TimerTask task, long delay, long period)

这个方法是调度一个task,在delay(ms)后开始调度,每次调度完后,最少等待period(ms)后才开始调度。

public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period)

和上一个方法类似,唯一的区别就是传入的第二个参数为第一次调度的时间。

public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period)

调度一个task,在delay(ms)后开始调度,然后每经过period(ms)再次调度, 貌似和方法:schedule是一样的,其实不然 ,后面你会根据源码看到,schedule在计算下一次执行的时间的时候,是通过当前时间(在任务执行前得到) + 时间片,而 scheduleAtFixedRate 方法是通过当前需要执行的时间(也就是计算出现在应该执行的时间)+ 时间片,前者是运行的实际时间,而后者是理论时间点,例如: schedule 时间片是5s,那么理论上会在 5、10、15、20 这些时间片被调度,但是如果由于某些CPU征用导致未被调度,假如等到第8s才被第一次调度,那么 schedule 方法计算出来的下一次时间应该是第13s而不是第10s,这样有可能下次就越到20s后而 被少调度一次或多次 ,而 scheduleAtFixedRate 方法就是每次理论计算出下一次需要调度的时间用以排序,若第8s被调度,那么计算出应该是第10s,所以它距离当前时间是2s,那么再调度队列排序中,会被优先调度,那么就 尽量减少漏掉调度 的情况。

 public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime,long period)

方法同上,唯一的区别就是第一次调度时间设置为一个Date时间,而不是当前时间的一个时间片,我们在源码中会详细说明这些内容。

接下来看源码

首先看Timer的构造方法有几种:

构造方法1:无参构造方法,简单通过Tiemer为前缀构造一个线程名称:

public Timer() {     this("Timer-" + serialNumber()); }

传入是否为后台线程,如果设置为后台线程,则主线程结束后,timer自动结束,而无需使用cancel来完成对timer的结束

构造方法2:传入了是否为后台线程,后台线程当且仅当进程结束时,自动注销掉。

public Timer(boolean isDaemon) {     this("Timer-" + serialNumber(), isDaemon); }

另外两个构造方法负责传入名称和将timer启动:

public Timer(String name, boolean isDaemon) {         thread.setName(name);         thread.setDaemon(isDaemon);         thread.start();     }

这里有一个thread,这个thread很明显是一个线程,被包装在了Timer类中,我们看下这个thread的定义是:

private TimerThread thread = new TimerThread(queue);

而定义TimerThread部分的是:

class TimerThread extends Thread {

看到这里知道了,Timer内部包装了一个线程,用来做独立于外部线程的调度,而TimerThread是一个default类型的,默认情况下是引用不到的,是被Timer自己所使用的。

接下来看下有那些属性

除了上面提到的thread,还有一个很重要的属性是:

private TaskQueue queue = new TaskQueue();

看名字就知道是一个队列,队列里面可以先猜猜看是什么,那么大概应该是我要调度的任务吧,先记录下了,接下来继续向下看:

里面还有一个属性是: threadReaper ,它是Object类型,只是重写了finalize方法而已,是为了垃圾回收的时候,将相应的信息回收掉,做GC的回补,也就是当timer线程由于某种原因死掉了,而未被cancel,里面的队列中的信息需要清空掉,不过我们通常是不会考虑这个方法的,所以知道java写这个方法是干什么的就行了。

接下来看调度方法的实现:

对于上面6个调度方法,我们不做一一列举,为什么等下你就知道了:

来看下方法:

public void schedule(TimerTask task, long delay)

的源码如下:

public void schedule(TimerTask task, long delay) {         if (delay < 0)             throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");         sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, 0);     }

这里调用了另一个方法,将task传入,第一个参数传入System.currentTimeMillis()+delay可见为第一次需要执行的时间的时间点了(如果传入Date,就是对象.getTime()即可,所以传入Date的几个方法就不用多说了),而第三个参数传入了0,这里可以猜下要么是时间片,要么是次数啥的,不过等会就知道是什么了;另外关于方法:sched的内容我们不着急去看他,先看下重载的方法中是如何做的

在看看方法:

public void schedule(TimerTask task, long delay,long period)

源码为:

public void schedule(TimerTask task, long delay, long period) {         if (delay < 0)             throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");         if (period <= 0)             throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");         sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, -period);     }

看来也调用了方法sched来完成调度,和上面的方法唯一的调度时候的区别是增加了传入的period,而第一个传入的是0,所以确定这个参数为时间片,而不是次数,注意这个里的period加了一个负数,也就是取反,也就是我们开始传入1000,在调用sched的时候会变成-1000,其实最终阅读完源码后你会发现这个算是老外对于一种数字的理解,而并非有什么特殊的意义,所以阅读源码的时候也有这些困难所在。

最后再看个方法是:

public void scheduleAtFixedRate(TimerTasktask,long delay,long period)

源码为:

public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period) {         if (delay < 0)             throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");         if (period <= 0)             throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");         sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, period);     }

唯一的区别就是在period没有取反,其实你最终阅读完源码,上面的取反没有什么特殊的意义,老外不想增加一个参数来表示scheduleAtFixedRate,而scheduleAtFixedRate和schedule的大部分逻辑代码一致,因此用了参数的范围来作为区分方法,也就是当你传入的参数不是正数的时候,你调用schedule方法正好是得到scheduleAtFixedRate的功能,而调用scheduleAtFixedRate方法的时候得到的正好是schedule方法的功能,呵呵,这些讨论没什么意义,讨论实质和重点:

来看sched方法的实现体:

private void sched(TimerTask task, long time, long period) {         if (time < 0)             throw new IllegalArgumentException("Illegal execution time.");          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();         }     }

queue为一个队列,我们先不看他数据结构,看到他在做这个操作的时候,发生了同步,所以在timer级别,这个是线程安全的,最后将task相关的参数赋值,主要包含 nextExecutionTime (下一次执行时间),period(时间片),state(状态),然后将它放入queue队列中,做一次notify操作,为什么要做notify操作呢?看了后面的代码你就知道了。

简言之,这里就是讲task放入队列queue的过程,此时,你可能对queue的结构有些兴趣,那么我们先来看看queue属性的结构TaskQueue:

class TaskQueue {      private TimerTask[] queue = new TimerTask[128];      private int size = 0;

可见,TaskQueue的结构很简单,为一个数组,加一个size,有点像ArrayList,是不是长度就128呢,当然不是,ArrayList可以扩容,它可以,只是会造成内存拷贝而已,所以一个Timer来讲,只要内部的task个数不超过128是不会造成扩容的;内部提供了add(TimerTask)、size()、getMin()、get(int)、removeMin()、quickRemove(int)、rescheduleMin(long newTime)、isEmpty()、clear()、fixUp()、fixDown()、heapify();

这里面的方法大概意思是:

add(TimerTaskt)为增加一个任务

size()任务队列的长度

getMin()获取当前排序后最近需要执行的一个任务,下标为1,队列头部0是不做任何操作的。

get(inti)获取指定下标的数据,当然包括下标0.

removeMin()为删除当前最近执行的任务,也就是第一个元素,通常只调度一次的任务,在执行完后,调用此方法,就可以将TimerTask从队列中移除。

quickRmove(inti)删除指定的元素,一般来说是不会调用这个方法的,这个方法只有在Timer发生purge的时候,并且当对应的 TimerTask 调用了 cancel 方法的时候,才会被调用这个方法,也就是取消某个 TimerTask ,然后就会从队列中移除(注意如果任务在执行中是,还是仍然在执行中的,虽然在队列中被移除了),还有就是这个cancel方法并不是Timer的cancel方法而是TimerTask,一个是调度器的,一个是单个任务的,最后注意,这个quickRmove完成后,是将队列最后一个元素补充到这个位置,所以此时会造成顺序不一致的问题,后面会有方法进行回补。

rescheduleMin(long newTime)是重新设置当前执行的任务的下一次执行时间,并在队列中将其从新排序到合适的位置,而调用的是后面说的 fixDown 方法。

对于 fixUpfixDown 方法来讲,前者是当新增一个task的时候,首先将元素放在队列的尾部,然后向前找是否有比自己还要晚执行的任务,如果有,就将两个任务的顺序进行交换一下。而fixDown正好相反,执行完第一个任务后,需要加上一个时间片得到下一次执行时间,从而需要将其顺序与后面的任务进行对比下。

其次可以看下 fixDown 的细节为:

private void fixDown(int k) {         int j;         while ((j = k << 1) <= size && j > 0) {             if (j < size &&                 queue[j].nextExecutionTime > queue[j+1].nextExecutionTime)                 j++; // j indexes smallest kid             if (queue[k].nextExecutionTime <= queue[j].nextExecutionTime)                 break;             TimerTask tmp = queue[j];  queue[j] = queue[k]; queue[k] = tmp;             k = j;         }     }

这种方式并非排序,而是找到一个合适的位置来交换,因为并不是通过队列逐个找的,而是每次移动一个二进制为,例如传入1的时候,接下来就是2、4、8、16这些位置,找到合适的位置放下即可,顺序未必是完全有序的,它只需要看到距离调度部分的越近的是有序性越强的时候就可以了,这样即可以保证一定的顺序性,达到较好的性能。

最后一个方法是 heapify ,其实就是将队列的后半截,全部做一次 fixeDown 的操作,这个操作主要是为了回补 quickRemove 方法,当大量的quickRmove后,顺序被打乱后,此时将一半的区域做一次非常简单的排序即可。

这些方法我们不在说源码了,只需要知道它提供了类似于ArrayList的东西来管理,内部有很多排序之类的处理,我们继续回到Timer,里面还有两个方法是:cancel()和方法purge()方法,其实就cancel方法来讲,一个取消操作,在测试中你会发现,如果一旦执行了这个方法timer就会结束掉,看下源码是什么呢:

public void cancel() {         synchronized(queue) {             thread.newTasksMayBeScheduled = false;             queue.clear();             queue.notify();  // In case queue was already empty.         }     }

貌似仅仅将队列清空掉,然后设置了newTasksMayBeScheduled状态为false,最后让队列也调用了下notify操作,但是没有任何地方让线程结束掉,那么就要回到我们开始说的Timer中包含的thread为:TimerThread类了,在看这个类之前,再看下Timer中最后一个purge()类,当你对很多Task做了cancel操作后,此时通过调用purge方法实现对这些cancel掉的类空间的回收,上面已经提到,此时会造成顺序混乱,所以需要调用队里的heapify方法来完成顺序的重排,源码如下:

public int purge() {          int result = 0;           synchronized(queue) {              for (int i = queue.size(); i > 0; i--) {                  if (queue.get(i).state == TimerTask.CANCELLED) {                      queue.quickRemove(i);                      result++;                  }              }               if (result != 0)                  queue.heapify();          }          return result;      }

那么调度呢,是如何调度的呢,那些notify,和清空队列是如何做到的呢?我们就要看看TimerThread类了,内部有一个属性是:newTasksMayBeScheduled,也就是我们开始所提及的那个参数在cancel的时候会被设置为false。

另一个属性定义了

   private TaskQueue queue;

也就是我们所调用的queue了,这下联通了吧,不过这里是queue是通过构造方法传入的,传入后赋值用以操作,很明显是Timer传递给这个线程的,我们知道它是一个线程,所以执行的中心自然是run方法了,所以看下run方法的body部分是:

public void run() {         try {             mainLoop();         } finally {             synchronized(queue) {                 newTasksMayBeScheduled = false;                 queue.clear();  // Eliminate obsolete references             }         }     }

try很简单,就一个mainLoop,看名字知道是主循环程序,finally中也就是必然执行的程序为将参数为为false,并将队列清空掉。

那么最核心的就是mainLoop了,是的,看懂了mainLoop一切都懂了:

private void mainLoop() {         while (true) {             try {                 TimerTask task;                 boolean taskFired;                 synchronized(queue) {                     // Wait for queue to become non-empty                     while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)                         queue.wait();                     if (queue.isEmpty())                         break; // Queue is empty and will forever remain; die                      // Queue nonempty; look at first evt and do the right thing                     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) {             }         }     }

可以发现这个timer是一个死循环程序,除非遇到不能捕获的异常或break才会跳出,首先注意这段代码:

while (queue.isEmpty() &&newTasksMayBeScheduled)                         queue.wait();

循环体为循环过程中,条件为queue为空且 newTasksMayBeScheduled 状态为true,可以看到这个状态其关键作用,也就是跳出循环的条件就是要么队列不为空,要么是 newTasksMayBeScheduled 状态设置为false才会跳出,而wait就是在等待其他地方对queue发生notify操作,从上面的代码中可以发现,当发生add、cancel以及在threadReaper调用finalize方法的时候会被调用,第三个我们基本可以不考虑其实发生add的时候也就是当队列还是空的时候,发生add使得队列不为空就跳出循环,而cancel是设置了状态,否则不会进入这个循环,那么看下面的代码:

if (queue.isEmpty())          break;

当跳出上面的循环后,如果是设置了 newTasksMayBeScheduled 状态为false跳出,也就是调用了cancel,那么queue就是空的,此时就直接跳出外部的死循环,所以cancel就是这样实现的,如果下面的任务还在跑还没运行到这里来,cancel是不起作用的。

接下来是获取一个当前系统时间和上次预计的执行时间,如果预计执行的时间小于当前系统时间,那么就需要执行,此时判定时间片是否为0,如果为0,则调用removeMin方法将其移除,否则将task通过rescheduleMin设置最新时间并排序:

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);      } }

这里可以看到,period为负数的时候,就会被认为是按照按照当前系统时间+一个时间片来计算下一次时间,就是前面说的schedule和scheduleAtFixedRate的区别了,其实内部是通过正负数来判定的,也许java是不想增加参数,而又想增加程序的可读性,才这样做,其实通过正负判定是有些诡异的,也就是你如果在schedule方法传入负数达到的功能和scheduleAtFixedRate的功能是一样的,相反在scheduleAtFixedRate方法中传入负数功能和schedule方法是一样的。

同时你可以看到period为0,就是只执行一次,所以时间片正负0都用上了,呵呵,然后再看看mainLoop接下来的部分:

if (!taskFired)// Taskhasn't yet fired; wait      queue.wait(executionTime- currentTime);

这里是如果任务执行时间还未到,就等待一段时间,当然这个等待很可能会被其他的线程操作add和cancel的时候被唤醒,因为内部有notify方法,所以这个时间并不是完全准确,在这里大多数情况下是考虑Timer内部的task信息是稳定的,cancel方法唤醒的话是另一回事。

最后:

if (taskFired) // Task fired; run it, holding no locks  task.run();

如果线程需要执行,那么调用它的run方法,而并非启动一个新的线程或从线程池中获取一个线程来执行,所以TimerTask的run方法并不是多线程的run方法,虽然实现了Runnable,但是仅仅是为了表示它是可执行的,并不代表它必须通过线程的方式来执行的。

回过头来再看看:

Timer和 TimerTask 的简单组合是多线程的嘛?不是,一个Timer内部包装了“ 一个Thread” 和“ 一个Task” 队列,这个队列按照一定的方式将任务排队处理,包含的线程在 Timer 的构造方法调用时被启动,这个Thread的run方法无限循环这个Task队列,若队列为空且没发生 cancel 操作,此时会一直等待,如果等待完成后,队列还是为空,则认为发生了cancel从而跳出死循环,结束任务;循环中如果发现任务需要执行的时间小于系统时间,则需要执行,那么根据任务的时间片从新计算下次执行时间,若时间片为0代表只执行一次,则直接移除队列即可。

但是是否能实现多线程呢?可以,任何东西是否是多线程完全看个人意愿,多个Timer自然就是多线程的,每个Timer都有自己的线程处理逻辑,当然Timer从这里来看并不是很适合很多任务在短时间内的快速调度,至少不是很适合同一个timer上挂很多任务,在多线程的领域中我们更多是使用多线程中的:

Executors. newScheduledThreadPool

来完成对调度队列中的线程池的处理,内部通过 new   ScheduledThreadPoolExecutor 来创建线程池的 Executor 的创建,当然也可以调用:

Executors. unconfigurableScheduledExecutorService

方法来创建一个 DelegatedScheduledExecutorService 其实这个类就是包装了下下 scheduleExecutor ,也就是这只是一个壳,英文理解就是被委派的意思,被托管的意思。

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