彻底搞懂ScheduledThreadPoolExecutor

前言

项目中常常会遇到一些非分布式的调度使命，需要在将来的某个时候周期性执行。实现如许的功能，我们有多种方式可以选择：

• Timer类， jdk1.3引入，不保举。
  

它全部使命都是串行执行的，同一时间只能有一个使命在执行，而且前一个使命的延迟或非常都将会影响到之后的使命。大概会出现使命执行时间过长而导致使命相互阻塞的情况

• Spring的@Scheduled注解，不是很保举
  

这种方式底层虽然是用线程池实现，但是有个最大的题目，全部的使命都使用的同一个线程池，大概会导致长周期的使命运行影响短周期使命运行，造成线程池"饥饿"，更加保举的做法是同种类型的使命使用同一个线程池。

• 自定义ScheduledThreadPoolExecutor实现调度使命
  

这也是本文重点讲解的方式，通过自定义ScheduledThreadPoolExecutor调度线程池，提交调度使命才是最优解。
基本先容

ScheduledThreadPoolExecutor继承自 ThreadPoolExecutor，为使命提供延迟或周期执行，属于线程池的一种。和 ThreadPoolExecutor 相比，它还具有以下几种特性:

• 使用专门的使命类型—ScheduledFutureTask 来执行周期使命，也可以接收不需要时间调度的使命(这些使命通过 ExecutorService 来执行)。
  
• 使用专门的存储队列—DelayedWorkQueue 来存储使命，DelayedWorkQueue 是无界延迟队列DelayQueue 的一种。相比ThreadPoolExecutor也简化了执行机制(delayedExecute方法，背面单独分析)。
  
• 支持可选的run-after-shutdown参数，在池被关闭(shutdown)之后支持可选的逻辑来决定是否继续运行周期或延迟使命。并且当使命(重新)提交操纵与 shutdown 操纵重叠时，复查逻辑也不雷同。
  

基本使用

ScheduledThreadPoolExecutor 最常见的应用场景就是实现调度使命，
创建方式

创建ScheduledThreadPoolExecutor方式一共有两种，第一种是通过自定义参数，第二种通过Executors工厂方法创建。 根据阿里巴巴代码规范中的建议，更加保举使用第一种方式创建。

• 自定义参数创建
  

1. ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
2.                                        ThreadFactory threadFactory,                                       RejectedExecutionHandler handler)

复制代码

• corePoolSize：焦点工作的线程数量
  
• threadFactory：线程工厂，用来创建线程
  
• handler: 拒绝策略，饱和策略
  

• Executors工厂方法创建
  

• static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)：根据焦点线程数创建调度线程池。
  
• static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize, ThreadFactory threadFactory)：根据焦点线程数和线程工厂创建调度线程池。
  

焦点API

• schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)：创建并执行在给定延迟后启用的一次性操纵
  

• command: 执行的使命
  
• delay：延迟的时间
  
• unit: 单位
  

• scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)：定时执行周期使命，使命执行完成后，延迟delay时间执行
  

• command: 执行的使命
  
• initialDelay: 初始延迟的时间
  
• delay: 上次执行结束，延迟多久执行
  
• unit：单位
  

1. @Test
2. public void testScheduleWithFixedDelay() throws InterruptedException {
3.     // 创建调度任务线程池
4.     ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(1);
5.     // 按照上次执行完成后固定延迟时间调度
6.     scheduledExecutorService.scheduleWithFixedDelay(() -> {
7.         try {
8.             log.info("scheduleWithFixedDelay ...");
9.             Thread.sleep(1000);
10.         } catch (InterruptedException e) {
11.             e.printStackTrace();
12.         }
13.     }, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);
14.     Thread.sleep(10000);
15. }

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• scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)：按照固定的评率定时执行周期使命，不受使命运行时间影响。
  

• command: 执行的使命
  
• initialDelay: 初始延迟的时间
  
• period: 周期
  
• unit：单位
  

1. @Test
2. public void testScheduleAtFixedRate() throws InterruptedException {
3.     // 创建调度任务线程池
4.     ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(1);
5.     // 按照固定2秒时间执行
6.     scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(() -> {
7.         try {
8.             log.info("scheduleWithFixedDelay ...");
9.             Thread.sleep(1000);
10.         } catch (InterruptedException e) {
11.             e.printStackTrace();
12.         }
13.     }, 1, 2, TimeUnit.SECONDS);
14.     Thread.sleep(10000);
15. }

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综合案例

通过ScheduledThreadPoolExecutor实现每周四 18:00:00 定时执利用命。

1. // 通过ScheduledThreadPoolExecutor实现每周四 18:00:00 定时执行任务
2. @Test
3. public void test() {
4.     //  获取当前时间
5.     LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
6.     System.out.println(now);
7.     // 获取周四时间
8.     LocalDateTime time = now.withHour(18).withMinute(0).withSecond(0).withNano(0).with(DayOfWeek.THURSDAY);
9.     // 如果 当前时间 > 本周周四，必须找到下周周四
10.     if(now.compareTo(time) > 0) {
11.         time = time.plusWeeks(1);
12.     }
13.     System.out.println(time);
14.     // initailDelay 代表当前时间和周四的时间差
15.     // period 一周的间隔时间
16.     long initailDelay = Duration.between(now, time).toMillis();
17.     long period = 1000 * 60 * 60 * 24 * 7;
18.     ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
19.     pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
20.         System.out.println("running...");
21.     }, initailDelay, period, TimeUnit.MILLISECONDS);
22. }

复制代码

底层源码剖析

接下来一起看看 ScheduledThreadPool 的底层源码
数据布局

ScheduledThreadPoolExecutor继承自 ThreadPoolExecutor:
ScheduledThreadPoolExecutor 内部构造了两个内部类 ScheduledFutureTask 和 DelayedWorkQueue:

• ScheduledFutureTask: 继承了FutureTask，说明是一个异步运算使命；最上层分别实现了Runnable、Future、Delayed接口，说明它是一个可以延迟执行的异步运算使命。
  
• DelayedWorkQueue: 这是 ScheduledThreadPoolExecutor 为存储周期或延迟使命专门定义的一个延迟队列，继承了 AbstractQueue，为了契合 ThreadPoolExecutor 也实现了 BlockingQueue 接口。它内部只允许存储 RunnableScheduledFuture 类型的使命。与 DelayQueue 的差别之处就是它只允许存放 RunnableScheduledFuture 对象，并且本身实现了二叉堆(DelayQueue 是利用了 PriorityQueue 的二叉堆布局)。
  

内部类ScheduledFutureTask

属性

1. //为相同延时任务提供的顺序编号
2. private final long sequenceNumber;
4. //任务可以执行的时间，纳秒级
5. private long time;
7. //重复任务的执行周期时间，纳秒级。
8. private final long period;
10. //重新入队的任务
11. RunnableScheduledFuture<V> outerTask = this;
13. //延迟队列的索引，以支持更快的取消操作
14. int heapIndex;

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• sequenceNumber: 当两个使命有雷同的延迟时间时，按照 FIFO 的顺序入队。sequenceNumber 就是为雷同延时使命提供的顺序编号。
  
• time: 使命可以执行时的时间，纳秒级，通过triggerTime方法计算得出。
  
• period: 使命的执行周期时间，纳秒级。正数表示固定速率执行(为scheduleAtFixedRate提供服务)，负数表示固定延迟执行(为scheduleWithFixedDelay提供服务)，0表示不重复使命。
  
• outerTask: 重新入队的使命，通过reExecutePeriodic方法入队重新排序。
  

焦点方法run()

1. public void run() {
2.     boolean periodic = isPeriodic();//是否为周期任务
3.     if (!canRunInCurrentRunState(periodic))//当前状态是否可以执行
4.         cancel(false);
5.     else if (!periodic)
6.         //不是周期任务，直接执行
7.         ScheduledFutureTask.super.run();
8.     else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
9.         setNextRunTime();//设置下一次运行时间
10.         reExecutePeriodic(outerTask);//重排序一个周期任务
11.     }
12. }

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说明: ScheduledFutureTask 的run方法重写了 FutureTask 的版本，以便执行周期使命时重置/重排序使命。使命的执行通过父类 FutureTask 的run实现。内部有两个针对周期使命的方法:

• setNextRunTime(): 用来设置下一次运行的时间，源码如下:
  

1. //设置下一次执行任务的时间
2. private void setNextRunTime() {
3.     long p = period;
4.     if (p > 0)  //固定速率执行，scheduleAtFixedRate
5.         time += p;
6.     else
7.         time = triggerTime(-p);  //固定延迟执行，scheduleWithFixedDelay
8. }
9. //计算固定延迟任务的执行时间
10. long triggerTime(long delay) {
11.     return now() +
12.         ((delay < (Long.MAX_VALUE >> 1)) ? delay : overflowFree(delay));
13. }

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• reExecutePeriodic(): 周期使命重新入队等待下一次执行，源码如下:
  

1. //重排序一个周期任务
2. void reExecutePeriodic(RunnableScheduledFuture<?> task) {
3.     if (canRunInCurrentRunState(true)) {//池关闭后可继续执行
4.         super.getQueue().add(task);//任务入列
5.         //重新检查run-after-shutdown参数，如果不能继续运行就移除队列任务，并取消任务的执行
6.         if (!canRunInCurrentRunState(true) && remove(task))
7.             task.cancel(false);
8.         else
9.             ensurePrestart();//启动一个新的线程等待任务
10.     }
11. }

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reExecutePeriodic与delayedExecute的执行策略一致，只不过reExecutePeriodic不会执行拒绝策略而是直接丢掉使命。
cancel方法

1. public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
2.     boolean cancelled = super.cancel(mayInterruptIfRunning);
3.     if (cancelled && removeOnCancel && heapIndex >= 0)
4.         remove(this);
5.     return cancelled;
6. }

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ScheduledFutureTask.cancel本质上由其父类 FutureTask.cancel 实现。取消使命成功后会根据removeOnCancel参数决定是否从队列中移除此使命。
焦点属性

1. //关闭后继续执行已经存在的周期任务
2. private volatile boolean continueExistingPeriodicTasksAfterShutdown;
4. //关闭后继续执行已经存在的延时任务
5. private volatile boolean executeExistingDelayedTasksAfterShutdown = true;
7. //取消任务后移除
8. private volatile boolean removeOnCancel = false;
10. //为相同延时的任务提供的顺序编号，保证任务之间的FIFO顺序
11. private static final AtomicLong sequencer = new AtomicLong();

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• continueExistingPeriodicTasksAfterShutdown：和executeExistingDelayedTasksAfterShutdown是 ScheduledThreadPoolExecutor 定义的 run-after-shutdown 参数，用来控制池关闭之后的使命执行逻辑。
  
• removeOnCancel：用来控制使命取消后是否从队列中移除。当一个已经提交的周期或延迟使命在运行之前被取消，那么它之后将不会运行。默认设置下，这种已经取消的使命在届期之前不会被移除。 通过这种机制，可以方便检查和监控线程池状态，但也大概导致已经取消的使命无限滞留。为了制止这种情况的发生，我们可以通过setRemoveOnCancelPolicy方法设置移除策略，把参数removeOnCancel设为true可以在使命取消后立刻从队列中移除。
  
• sequencer：是为雷同延时的使命提供的顺序编号，包管使命之间的 FIFO 顺序。与 ScheduledFutureTask 内部的sequenceNumber参数作用一致。
  

构造函数

首先看下构造函数，ScheduledThreadPoolExecutor 内部有四个构造函数，这里我们只看这个最大构造灵活度的:

1. public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
2.                                    ThreadFactory threadFactory,
3.                                    RejectedExecutionHandler handler) {
4.     super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
5.           new DelayedWorkQueue(), threadFactory, handler);
6. }

复制代码

构造函数都是通过super调用了ThreadPoolExecutor的构造，并且使用特定等待队列DelayedWorkQueue。
Schedule

1. public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
2.                                        long delay,
3.                                        TimeUnit unit) {
4.     if (callable == null || unit == null)
5.         throw new NullPointerException();
6.     RunnableScheduledFuture<V> t = decorateTask(callable,
7.         new ScheduledFutureTask<V>(callable, triggerTime(delay, unit)));//构造ScheduledFutureTask任务
8.     delayedExecute(t);//任务执行主方法
9.     return t;
10. }

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说明: schedule重要用于执行一次性(延迟)使命。函数执行逻辑分两步:

• 封装 Callable/Runnable
  

1. protected <V> RunnableScheduledFuture<V> decorateTask(
2.     Runnable runnable, RunnableScheduledFuture<V> task) {
3.     return task;
4. }

复制代码

• 执利用命
  

1. private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
2.     if (isShutdown())
3.         reject(task);//池已关闭，执行拒绝策略
4.     else {
5.         super.getQueue().add(task);//任务入队
6.         if (isShutdown() &&
7.             !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&//判断run-after-shutdown参数
8.             remove(task))//移除任务
9.             task.cancel(false);
10.         else
11.             ensurePrestart();//启动一个新的线程等待任务
12.     }
13. }

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说明: delayedExecute是执利用命的主方法，方法执行逻辑如下:

• 如果池已关闭(ctl >= SHUTDOWN)，执利用命拒绝策略；
  
• 池正在运行，首先把使命入队排序；然后重新检查池的关闭状态，执行如下逻辑:
  

A: 如果池正在运行，或者 run-after-shutdown 参数值为true，则调用父类方法ensurePrestart启动一个新的线程等待执利用命。ensurePrestart源码如下:

1. void ensurePrestart() {
2.     int wc = workerCountOf(ctl.get());
3.     if (wc < corePoolSize)
4.         addWorker(null, true);
5.     else if (wc == 0)
6.         addWorker(null, false);
7. }

复制代码

ensurePrestart是父类 ThreadPoolExecutor 的方法，用于启动一个新的工作线程等待执利用命，即使corePoolSize为0也会安排一个新线程。
B: 如果池已经关闭，并且 run-after-shutdown 参数值为false，则执行父类(ThreadPoolExecutor)方法remove移除队列中的指定使命，成功移除后调用ScheduledFutureTask.cancel取消使命
scheduleAtFixedRate 和 scheduleWithFixedDelay

1. /**
2. * 创建一个周期执行的任务，第一次执行延期时间为initialDelay，
3. * 之后每隔period执行一次，不等待第一次执行完成就开始计时
4. */
5. public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
6.                                               long initialDelay,
7.                                               long period,
8.                                               TimeUnit unit) {
9.     if (command == null || unit == null)
10.         throw new NullPointerException();
11.     if (period <= 0)
12.         throw new IllegalArgumentException();
13.     //构建RunnableScheduledFuture任务类型
14.     ScheduledFutureTask<Void> sft =
15.         new ScheduledFutureTask<Void>(command,
16.                                       null,
17.                                       triggerTime(initialDelay, unit),//计算任务的延迟时间
18.                                       unit.toNanos(period));//计算任务的执行周期
19.     RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);//执行用户自定义逻辑
20.     sft.outerTask = t;//赋值给outerTask，准备重新入队等待下一次执行
21.     delayedExecute(t);//执行任务
22.     return t;
23. }
25. /**
26. * 创建一个周期执行的任务，第一次执行延期时间为initialDelay，
27. * 在第一次执行完之后延迟delay后开始下一次执行
28. */
29. public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
30.                                                  long initialDelay,
31.                                                  long delay,
32.                                                  TimeUnit unit) {
33.     if (command == null || unit == null)
34.         throw new NullPointerException();
35.     if (delay <= 0)
36.         throw new IllegalArgumentException();
37.     //构建RunnableScheduledFuture任务类型
38.     ScheduledFutureTask<Void> sft =
39.         new ScheduledFutureTask<Void>(command,
40.                                       null,
41.                                       triggerTime(initialDelay, unit),//计算任务的延迟时间
42.                                       unit.toNanos(-delay));//计算任务的执行周期
43.     RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);//执行用户自定义逻辑
44.     sft.outerTask = t;//赋值给outerTask，准备重新入队等待下一次执行
45.     delayedExecute(t);//执行任务
46.     return t;
47. }

复制代码

原理探究

那大家有没有想过为什么使命出错会导致非常无法打印，以致调度都取消了呢？从源码出发，一探究竟。
从上面delayedExecute方法可以看到，延迟或周期性使命的重要执行方法， 重要是将使命丢到队列中，后续再由工作线程获取执行。

• 在使命入队列后，就是执利用命内容了，使命内容其实就是在继承了Runnable类的run方法中。
  

1. public void shutdown() {
2.     super.shutdown();
3. }
4. //取消并清除由于关闭策略不应该运行的所有任务
5. @Override void onShutdown() {
6.     BlockingQueue<Runnable> q = super.getQueue();
7.     //获取run-after-shutdown参数
8.     boolean keepDelayed =
9.         getExecuteExistingDelayedTasksAfterShutdownPolicy();
10.     boolean keepPeriodic =
11.         getContinueExistingPeriodicTasksAfterShutdownPolicy();
12.     if (!keepDelayed && !keepPeriodic) {//池关闭后不保留任务
13.         //依次取消任务
14.         for (Object e : q.toArray())
15.             if (e instanceof RunnableScheduledFuture<?>)
16.                 ((RunnableScheduledFuture<?>) e).cancel(false);
17.         q.clear();//清除等待队列
18.     }
19.     else {//池关闭后保留任务
20.         // Traverse snapshot to avoid iterator exceptions
21.         //遍历快照以避免迭代器异常
22.         for (Object e : q.toArray()) {
23.             if (e instanceof RunnableScheduledFuture) {
24.                 RunnableScheduledFuture<?> t =
25.                     (RunnableScheduledFuture<?>)e;
26.                 if ((t.isPeriodic() ? !keepPeriodic : !keepDelayed) ||
27.                     t.isCancelled()) { // also remove if already cancelled
28.                     //如果任务已经取消，移除队列中的任务
29.                     if (q.remove(t))
30.                         t.cancel(false);
31.                 }
32.             }
33.         }
34.     }
35.     tryTerminate(); //终止线程池
36. }

复制代码

• 这里的关键就是看ScheduledFutureTask.super.runAndReset()方法是否返回true，如果是true的话继续调度。
  

• runAndReset方法也很简单，关键就是看报非常如何处置惩罚。
  

1. @Test
2. public void testException() throws InterruptedException {
3.     // 创建1个线程的调度任务线程池
4.     ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
5.     // 创建一个任务
6.     Runnable runnable = new Runnable() {
8.         volatile int num = 0;
10.         @Override
11.         public void run() {
12.             num ++;
13.             // 模拟执行报错
14.             if(num > 5) {
15.                 throw new RuntimeException("执行错误");
16.             }
17.             log.info("exec num: [{}].....", num);
18.         }
19.     };
21.     // 每隔1秒钟执行一次任务
22.     scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(runnable, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);
23.     Thread.sleep(10000);
24. }

复制代码

• 关键点ran变量，终极返回是不是下次继续调度执行
  
• 如果抛出非常的话，可以看到不会修改ran为true。
  

小结

Java的ScheduledThreadPoolExecutor定时使命线程池所调度的使命中如果抛出了非常，并且非常没有捕获直接抛到框架中，会导致ScheduledThreadPoolExecutor定时使命不调度了。
封装包装类，统一调度

在现实项目使用中，可以在本身的项目中封装一个包装类，要求全部的调度都提交通过统一的包装类，从而规范代码，如下代码：

1. public void run() {
2.     try {
3.         num++;
4.         // 模拟执行报错
5.         if (num > 5) {
6.             throw new RuntimeException("执行错误");
7.         }
8.         log.info("exec num: [{}].....", num);
9.     } catch (Exception e) {
10.             e.printStackTrace();
11.     }
12. }

复制代码

当然，也还可以在包装类内里封装各种监控活动，如本例打印日志执行时间等。
其它使用注意点

• 为什么ThreadPoolExecutor 的调整策略却不适用于 ScheduledThreadPoolExecutor？
  

由于 ScheduledThreadPoolExecutor 是一个固定焦点线程数大小的线程池，并且使用了一个无界队列，以是调整maximumPoolSize对其没有任何影响(以是 ScheduledThreadPoolExecutor 没有提供可以调整最大线程数的构造函数，默认最大线程数固定为Integer.MAX_VALUE)。此外，设置corePoolSize为0或者设置焦点线程空闲后清除(allowCoreThreadTimeOut)同样也不是一个好的策略，因为一旦周期使命到达某一次运行周期时，大概导致线程池内没有线程行止理这些使命。

• Executors 提供了哪几种方法来构造 ScheduledThreadPoolExecutor？
  

• newScheduledThreadPool: 可指定焦点线程数的线程池。
  
• newSingleThreadScheduledExecutor: 只有一个工作线程的线程池。如果内部工作线程由于执行周期使命非常而被终止，则会新建一个线程替换它的位置。
  

注意: newScheduledThreadPool(1, threadFactory) 不等价于newSingleThreadScheduledExecutor。newSingleThreadScheduledExecutor创建的线程池包管内部只有一个线程执利用命，并且线程数不可扩展；而通过newScheduledThreadPool(1, threadFactory)创建的线程池可以通过setCorePoolSize方法来修改焦点线程数。
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