Java定时器Timer的源码分析

黑夜隐士 · 2022-11-8 16:47:38

通过源码分析，我们可以更深入的了解其底层原理。
对于JDK自带的定时器，主要涉及TimerTask类、Timer类、TimerQueue类、TimerThread类，其中TimerQueue和TimerThread类与Timer类位于同一个类文件，由Timer内部调用。
先画上一张图，描述一下Timer的大致模型，Timer的模型很容易理解，即任务加入到任务队列中，由任务处理线程循环从任务队列取出任务执行：

一、TimerTask

TimerTask是一个任务抽象类，实现了Runnable接口，是可被线程执行的。

1. 任务状态

在TimerTask中定义了关于任务状态的常量字段：

// 未调度状态
static final intVIRGIN = 0;
// 任务已调度，但未执行
static final int SCHEDULED = 1;
// 若是一次性任务表示已执行；可重复执行任务，该状态无效
static final int EXECUTED = 2;
// 任务被取消
static final int CANCELLED = 3;

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当一个TimerTask对象创建后，其初始状态为VIRGIN；
当调用Timer的schedule方法调度了此TimerTask对象后，其状态变更为SCHEDULED；
如果TimerTask是一次性任务，此任务执行后，状态将变为EXECUTED，可重复执行任务执行后状态不变；
当中途调用了TimerTask.cancel方法，该任务的状态将变为CANCELLED。

2. 任务属性说明

TimerTask中，有如下成员变量：

// 用于加锁控制多线程修改TimerTask内部状态
final Object lock = new Object();
// 任务状态，初始状态为待未调度状态
int state = VIRGIN;
// 任务的下一次执行时间点
long nextExecutionTime;
// 任务执行的时间间隔。正数表示固定速率；负数表示固定时延；0表示只执行一次
long period = 0;

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3. 任务方法说明

TimerTask中有三个方法：

3.1. Cancel方法
cancel方法的实现代码：

public boolean cancel() {
synchronized(lock) {
boolean result = (state == SCHEDULED);
state = CANCELLED;
return result;
}
}

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在cancel方法内，使用synchronized加锁，这是因为Timer内部的线程会对TimerTask状态进行修改，而调用cancel方法一般会是另外一个线程。
为了避免线程同步问题，cancel在修改状态前进行了加锁操作。
调用cancel方法将会把任务状态变更为CANCELLED状态，即任务取消状态，并返回一个布尔值，该布尔值表示此任务之前是否已是SCHEDULED 已调度状态。
3.2. scheduledExecutionTime方法
scheduledExecutionTime方法实现：

public long scheduledExecutionTime() {
synchronized(lock) {
return (period < 0 ? nextExecutionTime + period
: nextExecutionTime - period);
}
}

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该方法返回此任务的下次执行时间点。

二、Timer

分析Timer源代码，Timer在内部持有了两个成员变量：

private final TaskQueue queue = new TaskQueue();
private final TimerThread thread = new TimerThread(queue);

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TaskQueue是任务队列，TimerThread是任务处理线程。

1. sched方法

无论是使用schedule还是scheduleAtFixedRate方法来调度任务，Timer内部最后都是调用sched方法进行处理。

public void schedule(TimerTask task, Date time) {
sched(task, time.getTime(), 0); // 一次性任务，period为0
}
public void schedule(TimerTask task, long delay) {
...
sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, 0); // 一次性任务，period为0
}
public void schedule(TimerTask task, long delay, long period) {
...
sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, -period); // 固定延时模式，-period
}
public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period) {
...
sched(task, firstTime.getTime(), -period); // 固定延时模式，-period
}
public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period) {
...
sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, period); // 固定速率模式，period为正
}
public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime, long period) {
...
sched(task, firstTime.getTime(), period); // 固定速率模式，period为正
}

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sched方法核心代码：

private void sched(TimerTask task, long time, long period) {
...
// 加锁，避免外部其他线程同时调用cancel，同时访问queue产生线程同步问题
synchronized(queue) {
// 如果线程已终止，抛出异常
if (!thread.newTasksMayBeScheduled)
throw new IllegalStateException("Timer already cancelled.");
// 加锁，避免多线程访问同一个任务产生线程同步问题
synchronized(task.lock) {
// task的状态必须为VIRGIN，否则认为已经加入调度或者已经取消了，避免重复的调度
if (task.state != TimerTask.VIRGIN)
throw new IllegalStateException(
"Task already scheduled or cancelled");
// 设置下次执行时间点
task.nextExecutionTime = time;
// 设置时间间隔
task.period = period;
// 任务状态变更为已调度
task.state = TimerTask.SCHEDULED;
}
// 将任务添加到队列中
queue.add(task);
// 如果此任务是最近的任务，唤醒线程
if (queue.getMin() == task)
queue.notify();
}
}

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2. cancel方法

cancel方法一般是由外部其他线程调用，而Timer内部的线程也会对任务队列进行操作，因此加锁。

public void cancel() {
synchronized(queue) {
// 修改线程的循环执行标志，令线程能够终止
thread.newTasksMayBeScheduled = false;
// 清空任务队列
queue.clear();
// 唤醒线程
queue.notify();
}
}

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3. purge方法

当通过TimerTask.cancel将任务取消后，Timer的任务队列还引用着此任务，Timer只有到了要执行时才会移除，其他时候并不会自动将此任务移除，需要调用purge方法进行清理。

public int purge() {
int result = 0;
synchronized(queue) {
// 遍历队列，将CANCELLED状态的任务从任务队列中移除
for (int i = queue.size(); i > 0; i--) {
if (queue.get(i).state == TimerTask.CANCELLED) {
queue.quickRemove(i);
result++;
}
}
// 如果移除任务数不为0，触发重新排序
if (result != 0)
queue.heapify();
}
// 返回移除任务数
return result;
}

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三、TaskQueue

TaskQueue是Timer类文件中封装的一个队列数据结构，内部默认是一个长度128的TimerTask数组，当任务加入时，检测到数组将满将会自动扩容1倍，并对数组元素根据下次执行时间nextExecutionTime按时间从近到远进行排序。

void add(TimerTask task) {
// 检测数组长度，若不够则进行扩容
if (size + 1 == queue.length)
queue = Arrays.copyOf(queue, 2*queue.length);
// 任务入队
queue[++size] = task;
// 排序
fixUp(size);
}

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fixUp方法实现：

private void fixUp(int k) {
while (k > 1) {
int j = k >> 1;
if (queue[j].nextExecutionTime <= queue[k].nextExecutionTime)
break;
TimerTask tmp = queue[j]; queue[j] = queue[k]; queue[k] = tmp;
k = j;
}
}

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TaskQueue中除了fixUp方法外还有一个fixDown方法，这两个其实就是堆排序算法，在算法专题中再进行详细介绍，只要记住他们的任务就是按时间从近到远进行排序，最近的任务排在队首即可。

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;
}
}
void heapify() {
for (int i = size/2; i >= 1; i--)
fixDown(i);
}

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四、TimerThread

TimerThread的核心代码位于mainLoop方法：

private void mainLoop() {
// 死循环，从队列取任务执行
while (true) {
try {
TimerTask task;
boolean taskFired;
// 对任务队列加锁
synchronized(queue) {
// 如果队列中没有任务，则进入等待，newTasksMayBeScheduled是线程运行标志位，为false时将退出循环
while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)
queue.wait();
// 如果任务队列是空的还执行到这一步，说明newTasksMayBeScheduled为false，退出循环
if (queue.isEmpty())
break;
long currentTime, executionTime;
// 从队列取得最近的任务
task = queue.getMin();
// 加锁
synchronized(task.lock) {
// 如果任务状态是已取消，则移除该任务，重新循环取任务
if (task.state == TimerTask.CANCELLED) {
queue.removeMin();
continue;
}
// 当前时间
currentTime = System.currentTimeMillis();
// 任务的执行时间点
executionTime = task.nextExecutionTime;
// 如果执行时间点早于或等于当前时间，即过期/时间到了，则触发任务执行
if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) {
// 如果任务period=0，即一次性任务
if (task.period == 0) {
// 从队列移除一次性任务
queue.removeMin();
// 任务状态变更为已执行
task.state = TimerTask.EXECUTED;
} else {
// 可重复执行任务，重新进行调度，period<0是固定时延，period>0是固定速率
queue.rescheduleMin(
task.period<0 ? currentTime - task.period // 计算下次执行时间
: executionTime + task.period);
}
}
}
// taskFired为false即任务尚未到执行时间点，进行等待，等待时间是执行时间点 - 当前时间点
if (!taskFired)
queue.wait(executionTime - currentTime);
}
// taskFired为true表示已触发，执行任务
if (taskFired)
task.run();
} catch(InterruptedException e) {
}
}
}

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以上就是Java定时器Timer的源码分析的详细内容，更多关于Java Timer的资料请关注中国红客联盟其它相关文章！

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