Java定時任務Timer調度器【三】 注意事項（任務精確性與內存泄漏）

1、任務精確性

經過前兩節的分析，大概知道了Timer的運行原理，下面說說使用Timer須要注意的一些事項。下面是Timer簡單原理圖

從上圖能夠看到，真正運行鬧鐘的是一個單線程。也就是說隊列中的鬧鐘，只能依次進行串行化的操做，鬧鐘的定時執行得不到保證。

好比下面的例子（本節全部代碼只列出關鍵部分，下同）

public class ScheduleDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new AlarmTask("鬧鐘"),1000,2000);
    }

    static class AlarmTask extends TimerTask {
        public void run() {
            log.info(new Date() +" 嘀。。。");
            Thread.sleep(10_000); //模擬鬧鐘執行時間
        }
    }
}

從下面的運行結果能夠看到，預期2秒之後運行的鬧鐘，推遲到了10秒之後。

Fri Nov 16 14:49:39 CST 2018 嘀。。。
Fri Nov 16 14:49:49 CST 2018 嘀。。。

下面是鬧鐘運行的時序圖

解決方法

針對上面的狀況，用戶可在AlarmTask.run()裏面再開一個異步線程，讓TimerThread及時返回，執行隊列中後續的鬧鐘。

public class ScheduleDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new AlarmTask("鬧鐘"),1000,2000);
    }

    static class AlarmTask extends TimerTask{
        static ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        
        public void run() {
             // 創建線程池，提升線程的複用，避免線程建立與上下文切換所帶來的開銷
            threadPool.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    log.info(new Date()+" 嘀。。。");
                    Thread.sleep(10_000); //模擬鬧鐘執行時間
                }
            });
        }
    }
}

從下面的運行結果能夠看到，全部的鬧鐘執行間隔符合預期的2秒。

Fri Nov 16 15:37:59 CST 2018 嘀。。。
Fri Nov 16 15:38:01 CST 2018 嘀。。。
Fri Nov 16 15:38:03 CST 2018 嘀。。。
Fri Nov 16 15:38:05 CST 2018 嘀。。。
Fri Nov 16 15:38:07 CST 2018 嘀。。。
Fri Nov 16 15:38:09 CST 2018 嘀。。。

下面是異步執行的時序圖

經過異步執行任務的方式雖然保證了執行時間的準確性，但也會出現如下問題：

1. 操做系統通常對線程總量加以限制，好比linux下的/proc/sys/kernel/threads-max。當系統併發量很高的時候，開異步會影響其餘應用的線程使用。

2. 若是當前系統運行着計算密度型應用，在CPU使用率很高的狀況下將會出現排隊現象。

3. JVM會給每個線程分配棧內存，若是Timer分配的任務過多，將很快出現內存溢出的狀況。

2、內存泄漏

第二個須要注意的問題是，當用戶取消了一個任務之後，失效的任務依然會佔據着queue隊列，形成內存泄漏，下面是取消任務的源碼。

public abstract class TimerTask implements Runnable {

    final Object lock = new Object();
    int state = VIRGIN;
    static final int CANCELLED   = 3;

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

能夠看到TimerTask.cancel()僅僅只是修改task的狀態值，並無及時清理失效的任務。縱觀整個Timer源碼，惟一進行自我清理是在TimerThread中維護的（前提是當前失效的任務優先級最高）。

class TimerThread extends Thread {
   
    private TaskQueue queue;

    public void run() {
        mainLoop();
    }

    private void mainLoop() {
        while (true) {
              synchronized(queue) {
                  task = queue.getMin();
                  synchronized(task.lock) {
                      if (task.state == TimerTask.CANCELLED) {
                          // 整個Timer中惟一維護自我清理的地方
                          queue.removeMin();
                          continue;  
                      }
                    }
              }
        }
    }
}

下面列舉一個內存泄漏的例子。

public class ScheduleDemo {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Timer timer = new Timer();
        int i = 0;
        timer.schedule(new AlarmTask("鬧鐘"+i++),100,100);
        while(true){
            TimerTask alarm = new AlarmTask("鬧鐘"+i);
            timer.schedule(alarm,100,10_0000);
            alarm.cancel();
            Thread.yield();
            log.info("已取消鬧鐘"+i++);
        }
    }

    static class AlarmTask extends TimerTask{
        String name ;
        byte[] bytes = new byte[10*1024*1024]; //模擬業務數據
        public AlarmTask(String name){
            this.name=name;
        }
        @Override
        public void run() {
            log.info("["+name+"]嘀。。。");
        }
    }
}

爲了快速暴露問題，特地增長了鬧鐘實例的大小；同時限制了jvm的堆內存分配

-Xmx100M -Xms100M

運行結果以下

已取消鬧鐘1
已取消鬧鐘2
已取消鬧鐘3
已取消鬧鐘4
已取消鬧鐘5
已取消鬧鐘6
已取消鬧鐘7
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at com.haanoo.schedule.ScheduleDemo$AlarmTask.<init>(ScheduleDemo.java:25)
	at com.haanoo.schedule.ScheduleDemo.main(ScheduleDemo.java:15)
[鬧鐘0]嘀。。。
[鬧鐘0]嘀。。。

從運行的結果看出，失效鬧鐘沒有被及時清理，且很快形成了OOM（主線程因OOM異常退出，而TimerThread線程不受影響）。

有人會想：會不會GC沒有運行，或來不及運行而致使OOM？下面看一下GC日誌，同時dump一下OOM時的堆內存，方便後面MAT分析

-XX:+PrintGC -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 
-XX:HeapDumpPath=d:/timer.dump

下面是運行結果

已取消鬧鐘1
[GC (Allocation Failure)  24103K->21319K(98304K), 0.0187832 secs]
已取消鬧鐘2
已取消鬧鐘3
[GC (Allocation Failure)  42289K->41792K(98304K), 0.0081251 secs]
已取消鬧鐘4
已取消鬧鐘5
[GC (Allocation Failure)  63024K->62160K(98304K), 0.0079021 secs]
[Full GC (Ergonomics)  62160K->62038K(98304K), 0.0261820 secs]
已取消鬧鐘6
已取消鬧鐘7
[Full GC (Ergonomics)  83014K->82518K(98304K), 0.0083257 secs]
[Full GC (Allocation Failure)  82518K->82503K(98304K), 0.0088677 secs]
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
Dumping heap to d:/timer.dump ...
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at com.haanoo.schedule.ScheduleDemo$AlarmTask.<init>(ScheduleDemo.java:25)
	at com.haanoo.schedule.ScheduleDemo.main(ScheduleDemo.java:15)
[鬧鐘0]嘀。。。
Heap dump file created [85271860 bytes in 0.052 secs]

從日誌能夠看出GC一直在努力，中間進行了3次Full GC(此時會影響應用性能),但基本沒啥效果。

再用MAT看一下堆快照

經過MAT觀察則一目瞭然，失效的7個鬧鐘（每一個10M）佔據了70M堆內存。

經過上面的分析能夠看到，雖然TimeTask.cancel()提供了一個及時取消的接口，但卻沒有一個自動機制保證失效的任務及時回收（須要用戶手動處理）。

解決方法

爲了防止內存泄漏，Timer提供了一個接口purge()及時清除無效任務。

public class Timer {
   
    private final TaskQueue queue = new TaskQueue();

    public int purge() {
        int result = 0;
        synchronized(queue) {
            for (int i = queue.size(); i > 0; i--) {
                if (queue.get(i).state == TimerTask.CANCELLED) {
                    // 清除無效任務
                    queue.quickRemove(i);
                    result++;
                }
            }
            if (result != 0)
                // 從新整理隊列中得任務
                queue.heapify();
        }
        return result;
    }

用戶只要合理地使用timer.purge()就能避免內存泄漏，遺憾地是在我所接觸的項目中，（或許沒有引發重視）基本沒有用到這個接口方法。