ScheduledThreadPoolExecutor中定时周期任务的实现源码分析

ScheduledThreadPoolExecutor是一个定时任务线程池，相比于ThreadPoolExecutor最大的不同在于其阻塞队列的实现

首先看一下其构造方法：

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 }

ScheduledThreadPoolExecutor是继承自ThreadPoolExecutor的，可以看到这里实际上调用了ThreadPoolExecutor的构造方法，而最大的不同在于这里使用了默认的DelayedWorkQueue“阻塞队列”，这是后续能够实现定时任务的关键

在ScheduledThreadPoolExecutor中使用scheduleWithFixedDelay或者scheduleAtFixedRate方法来完成定时周期任务

以scheduleWithFixedDelay为例
scheduleWithFixedDelay方法：

 1 public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
 2                                                  long initialDelay,
 3                                                  long delay,
 4                                                  TimeUnit unit) {
 5     if (command == null || unit == null)
 6         throw new NullPointerException();
 7     if (delay <= 0)
 8         throw new IllegalArgumentException();
 9     ScheduledFutureTask<Void> sft =
10         new ScheduledFutureTask<Void>(command,
11                                       null,
12                                       triggerTime(initialDelay, unit),
13                                       unit.toNanos(-delay));
14     RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
15     sft.outerTask = t;
16     delayedExecute(t);
17     return t;
18 }

这里首先会将我们的任务包装成ScheduledFutureTask
（这里的delay在传入ScheduledFutureTask的构造方法时变为了负的，这是和scheduleAtFixedRate方法唯一不一样的地方）

ScheduledFutureTask方法：

 1 private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
 2     if (isShutdown())
 3         reject(task);
 4     else {
 5         super.getQueue().add(task);
 6         if (isShutdown() &&
 7             !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
 8             remove(task))
 9             task.cancel(false);
10         else
11             ensurePrestart();
12     }
13 }

这里不同于ThreadPoolExecutor中的处理，并没有考虑coreSize和maxSize和任务之间的关系，而是直接将任务提交到阻塞队列DelayedWorkQueue中

DelayedWorkQueue的add方法：

 1 public boolean add(Runnable e) {
 2     return offer(e);
 3 }
 4 
 5 public boolean offer(Runnable x) {
 6     if (x == null)
 7         throw new NullPointerException();
 8     RunnableScheduledFuture<?> e = (RunnableScheduledFuture<?>)x;
 9     final ReentrantLock lock = this.lock;
10     lock.lock();
11     try {
12         int i = size;
13         if (i >= queue.length)
14             grow();
15         size = i + 1;
16         if (i == 0) {
17             queue[0] = e;
18             setIndex(e, 0);
19         } else {
20             siftUp(i, e);
21         }
22         if (queue[0] == e) {
23             leader = null;
24             available.signal();
25         }
26     } finally {
27         lock.unlock();
28     }
29     return true;
30 }

实际上调用了offer方法，从这里就可以看出这个“阻塞队列”的不同之处

DelayedWorkQueue中有这些成员：

1 private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
2 private RunnableScheduledFuture<?>[] queue =
3     new RunnableScheduledFuture<?>[INITIAL_CAPACITY];
4 private int size = 0;
5 private Thread leader = null;

在DelayedWorkQueue内部维护的是queue这个初始大小16的数组，其实就是一个小根堆

回到offer方法
由于是在多线程环境，这里的操作使用了重入锁保证原子性
若是在size大于数组的长度情况下，就需要调用grow方法来扩容

grow方法：

1 private void grow() {
2     int oldCapacity = queue.length;
3     int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1); // grow 50%
4     if (newCapacity < 0) // overflow
5         newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
6     queue = Arrays.copyOf(queue, newCapacity);
7 }

可以看到这是一个非常简单的扩容机制，申请一个1.5倍大小的新数组，再将原来的数据copy上去

回到offer方法，在调整完容量后，就需要进行数据的插入，使其形成一个小根堆
可以看到，在if-else判断中，首先检查是不是第一个元素，若是第一个，则直接放入数组，同时调用
setIndex方法，和任务关联

setIndex方法：

1 private void setIndex(RunnableScheduledFuture<?> f, int idx) {
2     if (f instanceof ScheduledFutureTask)
3         ((ScheduledFutureTask)f).heapIndex = idx;
4 }

这个方法很简单，将下标关联到之前包装好的任务ScheduledFutureTask中

若不是第一个元素，则需要调用siftUp，进行小根堆的调整
siftUp方法：

 1 private void siftUp(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
 2    while (k > 0) {
 3         int parent = (k - 1) >>> 1;
 4         RunnableScheduledFuture<?> e = queue[parent];
 5         if (key.compareTo(e) >= 0)
 6             break;
 7         queue[k] = e;
 8         setIndex(e, k);
 9         k = parent;
10     }
11     queue[k] = key;
12     setIndex(key, k);
13 }

因为小根堆实际上就是一个二叉树，利用二叉树的性质根据当前要插入节点的下标，得到其父节点的下标parent ，再和父节点的RunnableScheduledFuture对象进行compareTo的比较（RunnableScheduledFuture继承了Comparable接口）

compareTo的实现：

 1 public int compareTo(Delayed other) {
 2     if (other == this) // compare zero if same object
 3         return 0;
 4     if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
 5         ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
 6         long diff = time - x.time;
 7         if (diff < 0)
 8             return -1;
 9         else if (diff > 0)
10             return 1;
11         else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
12             return -1;
13         else
14             return 1;
15     }
16     long diff = getDelay(NANOSECONDS) - other.getDelay(NANOSECONDS);
17     return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
18 }

这里的逻辑比较简单，只需要看第二个if

在前面ScheduledFutureTask包装我们的任务的时候，其构造方法如下：

1 ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
2     super(r, result);
3     this.time = ns;
4     this.period = period;
5     this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
6 }

这里的time 也就是initialDelay，period 就是-delay，sequenceNumber 是一个全局自增的序列号

那么在上面的compareTo方法中，就首先根据子节点的initialDelay和父节点的initialDelay比较
若是子节点小于父节点，返回-1，子节点大于父节点返回1
若是相等，则根据序列号比较，序列号小的返回-1

回到siftUp方法，通过compareTo方法，若是大于等于0，就说明子节点大于父节点，不需要做调整，结束循环
若是小于0，说明子节点小于父节点，那么就需要将父节点先交换到当前位置，再将k变成parent，在下一次循环时，就会找parent的parent，重复上述操作，直至构成小根堆
最后将要插入的节点放入queue中合适的位置

那么在后续的任务添加中，就会根据任务的initialDelay，以及创建时间，构建一个小根堆

回到offer方法，在小根堆中插入完节点后，若是第一次插入， 将leader（Thread对象）置为null，利用available（Condition对象）唤醒Lock 的AQS上的阻塞

DelayedWorkQueue的add到此结束，回到delayedExecute方法中，在完成向阻塞队列添加任务后，发现线程池中并没有一个worker在工作，接下来的工作就由ThreadPoolExecutor的ensurePrestart方法实现：

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 }

可以看到这里根据ctl的取值，与corePoolSize比较，调用了线程池的addWorker方法，那么实际上也就是通过这里开启了线程池的worker来进行工作

来看看在worker的轮询中发生了什么：

 1 final void runWorker(Worker w) {
 2     Thread wt = Thread.currentThread();
 3     Runnable task = w.firstTask;
 4     w.firstTask = null;
 5     w.unlock(); // allow interrupts
 6     boolean completedAbruptly = true;
 7     try {
 8         while (task != null || (task = getTask()) != null) {
 9             w.lock();
10             // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
11             // if not, ensure thread is not interrupted.  This
12             // requires a recheck in second case to deal with
13             // shutdownNow race while clearing interrupt
14             if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
15                  (Thread.interrupted() &&
16                   runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
17                 !wt.isInterrupted())
18                 wt.interrupt();
19             try {
20                 beforeExecute(wt, task);
21                 Throwable thrown = null;
22                 try {
23                     task.run();
24                 } catch (RuntimeException x) {
25                     thrown = x; throw x;
26                 } catch (Error x) {
27                     thrown = x; throw x;
28                 } catch (Throwable x) {
29                     thrown = x; throw new Error(x);
30                 } finally {
31                     afterExecute(task, thrown);
32                 }
33             } finally {
34                 task = null;
35                 w.completedTasks++;
36                 w.unlock();
37             }
38         }
39         completedAbruptly = false;
40     } finally {
41         processWorkerExit(w, completedAbruptly);
42     }
43 }

可以看到在ThreadPoolExecutor的worker轮询线程中，会通过getTask方法，不断地从阻塞队列中获取任务

getTask方法：

 1 private Runnable getTask() {
 2     boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
 3 
 4     for (;;) {
 5         int c = ctl.get();
 6         int rs = runStateOf(c);
 7 
 8         // Check if queue empty only if necessary.
 9         if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
10             decrementWorkerCount();
11             return null;
12         }
13 
14         int wc = workerCountOf(c);
15 
16         // Are workers subject to culling?
17         boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
18 
19         if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
20             && (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
21             if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
22                 return null;
23             continue;
24         }
25 
26         try {
27             Runnable r = timed ?
28                 workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
29                 workQueue.take();
30             if (r != null)
31                 return r;
32             timedOut = true;
33         } catch (InterruptedException retry) {
34             timedOut = false;
35         }
36     }
37 }

可以看到在这个方法中，在一系列的参数检查并设置完毕后，会通过workQueue的poll或者take方法来获取所需的任务

其中poll方法是在设置了超时时间的情况下进行获取，take则不带有超时时间

以take为例
DelayedWorkQueue的take方法：

 1 public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
 2     final ReentrantLock lock = this.lock;
 3     lock.lockInterruptibly();
 4     try {
 5         for (;;) {
 6             RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
 7             if (first == null)
 8                 available.await();
 9             else {
10                 long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
11                 if (delay <= 0)
12                     return finishPoll(first);
13                 first = null; // don't retain ref while waiting
14                 if (leader != null)
15                     available.await();
16                 else {
17                     Thread thisThread = Thread.currentThread();
18                     leader = thisThread;
19                     try {
20                         available.awaitNanos(delay);
21                     } finally {
22                         if (leader == thisThread)
23                             leader = null;
24                     }
25                 }
26             }
27         }
28     } finally {
29         if (leader == null && queue[0] != null)
30             available.signal();
31         lock.unlock();
32     }
33 }

在for循环中首先取出数组中的第一个元素，也就是生成的小根堆中最小的那一个
得到first后，若是first为null，则说明当前没有可执行的任务，则使用available这个Condition对象，将AQS阻塞起来，等待下次任务创建时再通过前面提到的available唤醒阻塞
若是first存在，则通过getDelay方法获取时间间隔

getDelay方法：

1 public long getDelay(TimeUnit unit) {
2     return unit.convert(time - now(), NANOSECONDS);
3 }

这个方法就是用time减去当前时间now，得到的一个纳秒级时间差值

而time是在ScheduledFutureTask执行构造方法时，通过triggerTime方法，使用initialDelay进行计算出来的

triggerTime方法：

 1 private long triggerTime(long delay, TimeUnit unit) {
 2     return triggerTime(unit.toNanos((delay < 0) ? 0 : delay));
 3 }
 4 
 5 long triggerTime(long delay) {
 6     return now() +
 7         ((delay < (Long.MAX_VALUE >> 1)) ? delay : overflowFree(delay));
 8 }
 9 
10 private long overflowFree(long delay) {
11     Delayed head = (Delayed) super.getQueue().peek();
12     if (head != null) {
13         long headDelay = head.getDelay(NANOSECONDS);
14         if (headDelay < 0 && (delay - headDelay < 0))
15             delay = Long.MAX_VALUE + headDelay;
16     }
17     return delay;
18 }

可以看到time在这里实际上就是通过initialDelay加上当时设置的纳秒级时间组成的

其中overflowFree是为了防止Long类型的溢出做了一次计算，后边再说

所以take方法中，通过getDelay方法得到的是一个时间差，若是时间差小于等于0，则说明任务到了该执行的时候了，此时调用finishPoll

finishPoll方法：

1 private RunnableScheduledFuture<?> finishPoll(RunnableScheduledFuture<?> f) {
2     int s = --size;
3     RunnableScheduledFuture<?> x = queue[s];
4     queue[s] = null;
5     if (s != 0)
6         siftDown(0, x);
7     setIndex(f, -1);
8     return f;
9 }

这个方法的逻辑还是比较简单的，就是一个简单的小根堆重新调整的操作，由于f需要被取出，此时利用最后一个元素，完成一次自上向下的调整（生成时是自下向上）

siftDown方法和siftUp类似：

 1 private void siftDown(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
 2     int half = size >>> 1;
 3     while (k < half) {
 4         int child = (k << 1) + 1;
 5         RunnableScheduledFuture<?> c = queue[child];
 6         int right = child + 1;
 7         if (right < size && c.compareTo(queue[right]) > 0)
 8             c = queue[child = right];
 9         if (key.compareTo(c) <= 0)
10             break;
11         queue[k] = c;
12         setIndex(c, k);
13         k = child;
14     }
15     queue[k] = key;
16     setIndex(key, k);
17 }

由二叉树性质half 保证只操作到倒数第二层
在循环中，首先根据k（当前也就是根节点），得到其左右孩子的下标
若是右孩子存在，那么就用左孩子和右孩子比较，选出最下的哪一个作为child
若是右孩子不存在，则直接使用左孩子作为child

当选出child后，再和待插入的元素key比较
若是key小，则结束循环，直接将key插入k所在位置
若不是，则将当前child所在元素放在k所在位置，然后从child位置继续开始向下寻找，直到找到一个大于key或者遍历完毕

这样自上向下的将当前堆又调整成了小根堆，以后的定时周期任务都是以这种方式来调用的

看到这ScheduledThreadPoolExecutor的定时周期任务已经基本理解了，只不过还存在一个问题，当执行周期任务，会从小根堆取出，那么该任务下一次的执行时间何时更新到小根堆？

回到ThreadPoolExecutor的worker的runWorker方法中，在调用完getTask方法后，在进行完一系列完全检查后，会直接调用task的run方法，而此时的task是经过之前ScheduledFutureTask包装的

ScheduledFutureTask的run方法：

 1 public void run() {
 2     boolean periodic = isPeriodic();
 3     if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
 4         cancel(false);
 5     else if (!periodic)
 6         ScheduledFutureTask.super.run();
 7     else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
 8         setNextRunTime();
 9         reExecutePeriodic(outerTask);
10     }
11 }

若是设置了周期任务（period不为0），那么isPeriodic方法为true
逻辑上就会执行runAndReset方法，这个方法内部就会调用我们传入的Runnable的run方法，从而真正地执行我们的任务
在执行完毕后，可以看到调用了setNextRunTime方法

setNextRunTime方法：

1 private void setNextRunTime() {
2     long p = period;
3     if (p > 0)
4         time += p;
5     else
6         time = triggerTime(-p);
7 }

这里就很简单，利用当前time和period计算出下一次的time
由于scheduleWithFixedDelay和scheduleAtFixedRate之前所说的不一样之处，在这里就得到了体现

因为scheduleAtFixedRate的period是大于0的，所以scheduleAtFixedRate计算出来的时间间隔就是initialDelay + n*period的这种形式，那么其执行就会有固定的时间点，不过这还是要取决于任务的执行时间，若是任务的执行时间大于时间间隔，那么当上一次任务执行完毕，就会立刻执行，而不是等到时间点到了，若是任务的执行时间小于时间间隔，那么毫无疑问就需要等到时间点到了才执行下一次的任务

由于scheduleWithFixedDelay的period是小于0的，所以需要执行triggerTime
triggerTime方法：

1 long triggerTime(long delay) {
2     return now() +
3         ((delay < (Long.MAX_VALUE >> 1)) ? delay : overflowFree(delay));
4 }

可以看到若是不存在Long类型的溢出问题，那么下一次的时间就等于当前时间加时间间隔，所以说scheduleWithFixedDelay的不同之处在于其算上了任务的实际执行时间

若是存在Long类型的溢出问题时
在overflowFree中：

1 private long overflowFree(long delay) {
2     Delayed head = (Delayed) super.getQueue().peek();
3     if (head != null) {
4         long headDelay = head.getDelay(NANOSECONDS);
5         if (headDelay < 0 && (delay - headDelay < 0))
6             delay = Long.MAX_VALUE + headDelay;
7     }
8     return delay;
9 }

首先通过peek得到队列中的第一个元素，若是不存在，则直接返回delay
若是存在，通过getDelay得到headDelay
这里就会存在两情况
任务还没达到执行时间，则headDelay 大于零
任务达到执行时间，但却由于之前的任务还没执行完毕，遭到了延时，headDelay 小于0
所以这次的计算就是将headDelay这部分超时时间减去，以防止后续影响compareTo的比较，从而引起offer顺序的错误
（只不过这种情况正常不会遇见。。。）

在计算完成下一次的运行时间后
调用reExecutePeriodic方法：

1 void reExecutePeriodic(RunnableScheduledFuture<?> task) {
2     if (canRunInCurrentRunState(true)) {
3         super.getQueue().add(task);
4         if (!canRunInCurrentRunState(true) && remove(task))
5             task.cancel(false);
6         else
7             ensurePrestart();
8     }
9 }

其中传入的这个task（outerTask）其实就是当前执行完毕的这个任务，
可以看到这里canRunInCurrentRunState成立的情况下，就会通过
getQueue得到阻塞队列，再次通过DelayedWorkQueue的add方法将其加入到小根堆中，只不过这时的time发生了变化
若是情况正常，则继续通过ThreadPoolExecutor的ensurePrestart方法，调度worker的工作

这样定时周期任务就能正常执行

ScheduledThreadPoolExecutor分析到此结束

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