Java定時任務Timer調度器【二】 多線程源碼分析（圖文版）
上一節經過一個小例子分析了Timer運行過程，牽涉的執行線程雖然只有兩個，但實際場景會比上面複雜一些。java
首先經過一張簡單類圖（只列出簡單的依賴關係）看一下Timer暴露的接口。
算法
爲了演示Timer所暴露的接口，下面舉一個極端的例子（每個接口方法面向單獨的執行線程），照樣以鬧鐘爲例（源碼只列出關鍵部分，下同）。api
public class ScheduleDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
AlarmTask alarm1 = new AlarmTask("鬧鐘1");
AlarmTask alarm2 = new AlarmTask("鬧鐘2");
new Thread("線程1"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]調度鬧鐘1");
timer.schedule(alarm1,delay,period);
}
}.start();
new Thread("線程2"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]調度鬧鐘2");
timer.schedule(alarm2,delay,period);
}
}.start();
Thread.sleep(1500);
new Thread("線程3"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]取消鬧鐘2");
alarm2.cancel();
}
}.start();
new Thread("線程4"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]清理無用鬧鐘");
timer.purge();
}
}.start();
new Thread("線程5"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]關閉全部鬧鐘");
timer.cancel();
}
}.start();
}
/**
* 模擬鬧鐘
*/
static class AlarmTask extends TimerTask{
String name ;
public AlarmTask(String name){
this.name=name;
}
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]-["+name+"]嘀。。。");
Thread.sleep(1000); //模擬鬧鐘執行時間
}
}
}
執行結果數組
[線程2]調度鬧鐘2 [線程1]調度鬧鐘1 [Timer-0]-[鬧鐘2]嘀。。。 [線程3]取消鬧鐘2 [線程4]清理無用鬧鐘 [線程5]關閉全部鬧鐘
下面咱們依次查看一下每一個接口方法的源碼。安全
1. 查看Timer.sched()源碼多線程
public void schedule(TimerTask task, long delay, long period) {
sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, -period);
}
private void sched(TimerTask task, long time, long period) {
// 若是period無限大，保證其在一個合理的範圍內
if (Math.abs(period) > (Long.MAX_VALUE >> 1))
period >>= 1;
// 加queue鎖，保證隊列操做的線程安全
synchronized(queue) {
// 加lock鎖，保證任務狀態的一致性（多線程環境下）
synchronized(task.lock) {
task.nextExecutionTime = time;
task.period = period;
task.state = TimerTask.SCHEDULED;
}
// 將任務加入隊列實現排序
queue.add(task);
if (queue.getMin() == task)
queue.notify();
}
}
其中queue.add(task在)將任務加入隊列的同時實現了內部排序。工具
void add(TimerTask task) {
// 隊列不足時，以兩倍容量擴增
if (size + 1 == queue.length)
// 從性能上要快於new一個數組的效率
queue = Arrays.copyOf(queue, 2 * queue.length);
queue[++size] = task;
// 利用二分查找算法實現任務排序
fixUp(size);
}
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;
}
}
從方法sched()能夠看到，該方法一方面持有queue鎖，用來維護隊列排序的線程安全；一方面持有lock鎖，用來維護任務狀態的線程安全。oop
2. 查看TimerTask.cancel()源碼性能
public abstract class TimerTask implements Runnable {
final Object lock = new Object();
public boolean cancel() {
synchronized(lock) {
boolean result = (state == SCHEDULED);
state = CANCELLED;
return result;
}
}
對於任務的取消操做，只是簡單的修改一下任務狀態，中途也只佔有一個lock鎖！接着看一下執行任務的線程邏輯。ui
class TimerThread extends Thread {
private TaskQueue queue;
public void run() {
mainLoop();
}
private void mainLoop() {
while (true) {
synchronized(queue) {
while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)
queue.wait();
task = queue.getMin();
// 此處加task鎖，防止其餘線程同時調用task.cancel()
synchronized(task.lock) {
// ...維護鬧鐘狀態
}
}
if (!taskFired) // 時間未到
queue.wait(executionTime - currentTime);
}
if (taskFired)
// 執行鬧鐘時，沒有保持任何鎖
task.run();
}
}
能夠看到當TimerThead真正執行鬧鐘時，是沒有持鎖的，因此當鬧鐘正在運行的時候AlarmTask.cancel()對其是不起做用的，換言之，只能取消下一次將要執行的鬧鐘。
3. 查看Timer.purge()源碼
public class Timer {
private final TaskQueue queue = new TaskQueue();
// 保證被取消的task能及時進行垃圾回收
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)
// 從新整理隊列中有效的任務
queue.heapify();
}
return result;
}
進一步查看queue.quickRemove(i)和queue.heapify()。
class TaskQueue {
void quickRemove(int i) {
queue[i] = queue[size];
queue[size--] = null; //清除無效任務，防止內存泄漏
}
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);
}
能夠看到Timer.purge()在持有queue鎖時主要作兩件事
1.及時清除隊列中無效的鬧鐘防止內存泄漏。
2.從新規整隊列中鬧鐘。
4. 最後看一下Timer.cancel()源碼
public class Timer {
private final TaskQueue queue = new TaskQueue();
private final TimerThread thread = new TimerThread(queue);
public void cancel() {
synchronized(queue) {
thread.newTasksMayBeScheduled = false;
queue.clear();
//防止隊列爲空的狀況下，TimerThead無限等待
queue.notify();
}
}
該方法在清除全部鬧鐘的同時，與TimerThread發生了一次線程通訊——喚醒TimerThread並讓其永久退出。
private void mainLoop() {
while (true) {
synchronized(queue) {
while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)
queue.wait();
if (queue.isEmpty())
break; // TimerThread永久退出
queue.wait(executionTime - currentTime);
}
}
}
以上是整個過程的靜態分析，如今捕捉一個線程快照進行動態分析。爲了dump一個特定時刻的線程快照，如今在Timer.sched()打一個斷點（注意斷點的方式與位置）。
以debug模式運行下面的例子。
public class ScheduleDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
AlarmTask alarm1 = new AlarmTask("鬧鐘1");
AlarmTask alarm2 = new AlarmTask("鬧鐘2");
new Thread("線程1"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]調度鬧鐘1");
timer.schedule(alarm1,delay,period);
}
}.start();
new Thread("線程2"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]調度鬧鐘2");
timer.schedule(alarm2,delay,period);
}
}.start();
Thread.sleep(1500);
new Thread("線程3"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]取消鬧鐘2");
alarm2.cancel();
}
}.start();
new Thread("線程4"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]清理無用鬧鐘");
timer.purge();
}
}.start();
new Thread("線程5"){
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]關閉全部鬧鐘");
timer.cancel();
}
}.start();
}
/**
* 模擬鬧鐘
*/
static class AlarmTask extends TimerTask{
String name ;
public AlarmTask(String name){
this.name=name;
}
public void run() {
log.info("["+Thread.currentThread().getName()+"]-["+name+"]嘀。。。");
Thread.sleep(1000); //模擬鬧鐘執行時間
}
}
}
下圖是visualVM工具dump出的線程快照（斷點處）
經過上面的快照能夠看到，當「線程1「（持有兩把鎖）處於RUNNABLE狀態時，」線程2「、「線程3」、「線程4」、「線程5」都處於BLOCKED狀態。須要注意的是，由於TimerThread的時間未到，暫時處於WATING狀態（等待喚醒）。
下面是一個簡單的形象圖
總結：Timer爲了保證線程安全，使用了大量的鎖機制，總體上對CPU的利用率不高。
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