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介绍
详解

介绍

ScheduledThreadPoolExecutor是JDK提供的一个基于内存的定时任务调度器继承于ThreadPoolExecutor，需要注意的就是scheduleAtFixedRate()方法和scheduleWithFixedDelay()方法的区别。

ThreadPoolExecutor源码详解

详解

这里我们依旧将其分为三个模块：

调度器
任务队列
执行线程

任务队列负责管理用户提交的任务信息，执行线程负责去执行任务，而调度器居中协调和维护整个容器的状态和分配任务的执行线程。

调度器

首先ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。
先说结论：ScheduledThreadPoolExecutor相比较于ThreadPoolExecutor,做出了以下的改动：

差异：

实现了任务队列（延迟队列） DelayedWorkQueue赋值给ThreadPoolExecutor.workQueue，改变了队列存储和获取的条件
定义了新的Task包装类ScheduledFutureTask，改变了任务运行时的判断条件
重写了任务提交的方式，改变了任务提交行为

除了上述所说的差异点，当然存在着一些相同点。
相同点：

执行线程的创建方式
执行线程获取任务的方式
容器的生命周期变化
首先，本次的源码阅读起点先定在构造方法中（有上一章ThreadPoolExecutor源码详解的基础，不用在从变量或生命周期开始了）

构造方法

    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                                       ThreadFactory threadFactory,
                                       RejectedExecutionHandler handler) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
                new DelayedWorkQueue(), threadFactory, handler);
    }

上述构造方法，是入参最多，自定义最多的但是相比于ThreadPoolExecutor动则6,7个还是要少的可怜。

首先允许自定义的有：

核心线程数
ThreadFactory
拒绝策略

不允许自定义的有：

最大线程数
线程等待时间
线程等待时间单位
任务队列（默认为DelayedWorkQueue）

任务提交

在ThreadPoolExecutor中，我们的提交方式有submit()，execute()。
在ScheduledThreadPoolExecutor中，依然有submit()，execute()，但是新增了schedule()，scheduleAtFixedRate(),scheduleWithFixedDelay()方法
这几个方法的区别就在于

延迟性任务：
submit()，execute()，schedule()

其中submit()，execute()延迟时间默认为0，其实就是立即（底层也是调用的schedule()），schedule()就是设置的延迟时间。

周期性任务：
scheduleAtFixedRate()，scheduleWithFixedDelay()

scheduleAtFixedRate()：固定频率执行
scheduleWithFixedDelay()：以任务结束为起点，周期延迟性执行
这样说不太直观，举个例子：
scheduleAtFixedRate() 设置频率为5s，前一个任务在15:50:00 开始执行，然后在15:50:03结束，那么下一次执行时间是在15:50:05。而如果结束时间是在15:50:06，那么任务结束后就会立即开始下一次的任务。
scheduleWithFixedDelay() 设置频率为5s，前一个任务在15:50:00 开始执行，然后在15:50:03结束，那么下一次执行时间是在15:50:08。

这里要先说下ScheduledThreadPoolExecutor中的两个属性：

continueExistingPeriodicTasksAfterShutdown，true：表示在SHUTDOWN状态下周期性任务继续执行
executeExistingDelayedTasksAfterShutdown，true：表示在SHUTDOWN状态下延迟性任务继续执行

接下来就是看ScheduledThreadPoolExecutor对于task的定义对象ScheduledFutureTask

ScheduledFutureTask

首先是它的成员属性

        //自增序列号，保证FIFO
        private final long sequenceNumber;
        //下一次任务执行的时间
        private long time;
        //周期性执行间隔设置,0代表非周期，非0代表周期
        private final long period;
        RunnableScheduledFuture<V> outerTask = this;
        //在延迟队列中的索引，用于快速从队列中获取
        int heapIndex;

然后是它的执行方法

        public void run() {
        	//是否是周期
            boolean periodic = isPeriodic();
            //SHUTDOWN并且不继续（那两个超级长的变量为false）则取消任务
    		//说人话就是容器未运行，并且SHUTDOWN的时候不允许任务在执行那就取消
            if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
                cancel(false);
            //非周期执行
            else if (!periodic)
                ScheduledFutureTask.super.run();
            //周期执行    
            else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
            	//设置下一次的执行时间
                setNextRunTime();
               	//创建线程
                reExecutePeriodic(outerTask);
            }
        }

简单的说：非周期就执行一次，周期任务就需要计算下次执行的时间

    void reExecutePeriodic(RunnableScheduledFuture<?> task) {
    	//RUNNING 或者 SHUTDOWN并且continueExistingPeriodicTasksAfterShutdown为ture
        if (canRunInCurrentRunState(true)) {
        	//任务加入延迟队列
            super.getQueue().add(task);
            //doubleCheck，防止这个时候容器状态变了。
            //如果容器关闭，并且SHUTDOWN不运行执行，而且还把这个任务从任务队列中移除成功了。
            if (!canRunInCurrentRunState(true) && remove(task))
            	//那我就直接取消任务
                task.cancel(false);
            else
            	//不然就创建个线程与其对应
                ensurePrestart();
        }
    }

执行线程的创建：

    void ensurePrestart() {
        int wc = workerCountOf(ctl.get());
        //如果小于核心线程数，创建核心线程
        if (wc < corePoolSize)
            addWorker(null, true);
        //如果核心线程数设置为0，那么创建普通线程，按照构造参数默认的Integer.MAX_VALUE
        //相当于无限的线程  
        else if (wc == 0)
            addWorker(null, false);
    }

铛铛铛，喜闻乐见的提问时间到

问：是否能保证定时的任务一定会在我们规定的时间启动？
答：假设最大线程允许我们设置，核心线程5，这时候进行执行的定时任务10，那么只有5个线程去执行五个任务，剩下5个任务需要等前面的核心线程执行完了才会来执行，如果执行的慢，那就会出现定时设置的是1点执行，但是可能4,5点才开始跑任务，那就与我们的预期不同。

问：根据问题1是否能表示”最大线程数”没有任何意义？
答：不是，当”核心线程数”为0，那么就会创建创建普通线程与任务一一对应。

问：线程等待时间为什么是0？或者说为什么执行完毕后要立即关闭空闲的普通线程？
答：应该是因为定时任务的特点，会是一波一波的来，那么执行完毕后不关闭意义就不大，但这也面临着一些问题，每一次都可能创建线程然后销毁线程，这明显是比较浪费资源和消耗时间的。

通过上面两个问题已经了解了不允许自定义构造参数中的三个，还差最后一个任务队列DelayedWorkQueue，这个留在后面在分析。

十万个问什么ing：

问：有20个任务，并且任务的time都是500（虚构），那么任务的执行顺序是什么（任务执行时间一样）？
答：根据sequenceNumber，由小到大，每一个任务都会被分配一个单调递增不重复的sequenceNumber。

问：延迟性的executeExistingDelayedTasksAfterShutdown为true比较好理解，在SHUTDOWN执行完就没有了，但是假设周期性的continueExistingPeriodicTasksAfterShutdown设置为true，容器能停止下来吗？
答：在容器中的周期任务会一直反复执行，容器不接收新的任务，同时也不会停止。（默认为false）

好了，ScheduledThreadPoolExecutor对于自己任务的定义和封装我们理解完了，接下来从最简单的任务提交方法schedule()方法开始，let’s go!!!

schedule()

    public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable,
                                           long delay,
                                           TimeUnit unit) {
        if (callable == null || unit == null)
            throw new NullPointerException();
        //通过triggerTime方法计算出下次执行的时间
        //包装成RunnableScheduledFuture
        RunnableScheduledFuture<V> t = decorateTask(callable,
                new ScheduledFutureTask<V>(callable,
                        triggerTime(delay, unit)));
        //延迟执行                
        delayedExecute(t);
        return t;
    }

    private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
    	//如果状态不是RUNNING，直接拒绝
    	//这里不是判断是否是SHUTDOWN状态，而是RUNNING方法名有歧义
        if (isShutdown())
            reject(task);
        else {
        	//向任务队列中添加任务
            super.getQueue().add(task);
            /*
            *如果状态不是RUNNING，
            *或者是SHUTDOWN并且continueExistingPeriodicTasksAfterShutdown（延迟性任务就是executeExistingDelayedTasksAfterShutdown）为true并且移除任务成功
            */
            if (isShutdown() &&
                    !canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
                    remove(task))
                //取消任务的执行
                task.cancel(false);
            else
            	//创建工作线程
                ensurePrestart();
        }
    }

先梳理先schedule()的流程

非RUNNING

RUNNING

SHUTDOWN并且不运行执行并且移除成功

不满足

计算下次执行时间

容器状态

拒绝任务

任务入列

状态检测

取消任务

创建执行线程

简单理解：状态正常的情况下，每创建一个任务都会与之对应的创建一个线程。

scheduleAtFixedRate()

    public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
                                                  long initialDelay,
                                                  long period,
                                                  TimeUnit unit) {
        if (command == null || unit == null)
            throw new NullPointerException();
        if (period <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
            //构造的时候，设置下次执行时间和周期性时间
        ScheduledFutureTask<Void> sft =
                new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                        null,
                        triggerTime(initialDelay, unit),
                        unit.toNanos(period));
        RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
        sft.outerTask = t;
        delayedExecute(t);
        return t;
    }

解释下几个入参：

command：就是我们用户提交的任务
initialDelay：第一次执行延迟时间
period:周期性间隔时间
unit:间隔时间的单位

第一次的执行延迟时间通过在计算时间中设置来表示。

scheduleAtFixedRate()和schedule()区别点就在于：

period不同
scheduleAtFixedRate()将周期性间隔时间存放在ScheduledFutureTask的period成员属性中（正数）。
schedule()的ScheduledFutureTask的period成员属性默认为0

scheduleWithFixedDelay()

    public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
                                                     long initialDelay,
                                                     long delay,
                                                     TimeUnit unit) {
        if (command == null || unit == null)
            throw new NullPointerException();
        if (delay <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        //构造的时候，设置下次执行时间和周期性时间
        ScheduledFutureTask<Void> sft =
                new ScheduledFutureTask<Void>(command,
                        null,
                        triggerTime(initialDelay, unit),
                        unit.toNanos(-delay));
        RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
        sft.outerTask = t;
        delayedExecute(t);
        return t;
    }

scheduleWithFixedDelay()和scheduleAtFixedRate()区别点就在于：

period不同
scheduleAtFixedRate()的ScheduledFutureTask的period成员属性为正数。
scheduleWithFixedDelay()的ScheduledFutureTask的period成员属性为负数。

源码实现：

        private void setNextRunTime() {
            long p = period;
            //如果为正数代表是scheduleAtFixedRate，那么就在上一次时间+间隔时间
            if (p > 0)
                time += p;
            else
            	//如果为负数代表是scheduleWithFixedDelay，那么就是现在时间+间隔时间
                time = triggerTime(-p);
        }

ok，调度器中任务提交已经阅读完毕，旅途已过半，加油ヾ(◍°∇°◍)ﾉﾞ！

任务队列（延迟队列）

接下来我们就要来看看DelayedWorkQueue任务的延迟队列是如何获取任务的了。

首先还是来看看其中的成员变量

		//任务队列，使用的是数组，需要考虑扩容问题
        private RunnableScheduledFuture<?>[] queue =
                new RunnableScheduledFuture<?>[INITIAL_CAPACITY];
		//首个任务的执行线程
		private Thread leader = null;

需要稍微理解下的就一个leader，这个属性等后面看到相关使用得地方在来聊，这样比较好理解一些。

在DelayedWorkQueue中主要看三个方法，入列：offer()，出列：poll()，take()

offer()

        public boolean offer(Runnable x) {
            if (x == null)
                throw new NullPointerException();
            RunnableScheduledFuture<?> e = (RunnableScheduledFuture<?>) x;
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            lock.lock();
            try {
                int i = size;
                //扩容
                if (i >= queue.length)
                    grow();
                size = i + 1;
                //如果队列为空，则直接放到头部
                if (i == 0) {
                    queue[0] = e;
                    setIndex(e, 0);
                //不为空就需要判断，进行排序    
                } else {
                    siftUp(i, e);
                }
                //如果首个任务被替换成了用户提交的x
                if (queue[0] == e) {
                	//要首个任务占有的线程清空，这里需要结合poll()和take()来看，后续在聊
                    leader = null;
                    //那么要唤醒线程，去尝试获取任务
                    available.signal();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
            return true;
        }

接下来就看下排序问题

siftUp()

        private void siftUp(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
            while (k > 0) {
            	//获取当前索引元素的父节点
                int parent = (k - 1) >>> 1;
                RunnableScheduledFuture<?> e = queue[parent];
                //如果加入的元素大于父节点，那就存放在K中不用动
                if (key.compareTo(e) >= 0)
                    break;
                //如果不是，那么就将父节点的数据和K当前插入的位置进行交换    
                queue[k] = e;
                setIndex(e, k);
                k = parent;
            }
            queue[k] = key;
            setIndex(key, k);
        }

整体思路是这样的，数组是一个二叉树，这棵树呢，有规则，父节点比子节点要小（也叫小顶对），这样的特点也就产生了，数组中的第一个元素一定是最先执行的。

简单想象：siftUp就相当于一个刚加入的元素不停向上比较并交换位置，一直到父节点比它还小为止。

举个例子：

这时候新增一个2，那么现在的索引就是7，根据int parent = (k - 1) >>> 1算出父节点索引为3，也就是数值为4的那个节点，因为2<4所以交换位置，上升一位，由于1<2所以不在上升，停止。

问问问

问：为什么排序会存在，直接放数组中不行吗？
答：不行，效率太低，要时时去判断数组中所有任务现在该不该执行，使用小顶堆（二叉树）优化查询效率。

poll()

尝试获取任务：

        public RunnableScheduledFuture<?> poll() {
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            lock.lock();
            try {
                RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
                //如果队列中没有任务，或者任务的执行时间没到，则返回null
                if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
                    return null;
                else
                    return finishPoll(first);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        private RunnableScheduledFuture<?> finishPoll(RunnableScheduledFuture<?> f) {
            int s = --size;
            RunnableScheduledFuture<?> x = queue[s];
            //将任务缩减一个
            queue[s] = null;
            //如果任务队列不为空，那么就进行重排序
            if (s != 0)
                siftDown(0, x);
            setIndex(f, -1);
            return f;
        }

take()

获取任务，如果无任务则进行等待

        public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
            final ReentrantLock lock = this.lock;
            lock.lockInterruptibly();
            try {
                for (; ; ) {
                    RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
                    //如果队列是空的，则进行等待
                    if (first == null)
                        available.await();
                    else {
                        long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                        //如果第一个任务现在可以执行，则返回重新对队列排序，并返回第一个任务
                        if (delay <= 0)
                            return finishPoll(first);
                        first = null; // don't retain ref while waiting
                        //如果第一个任务不能执行，并且leader不为空，则等待
                        if (leader != null)
                            available.await();
                        else {
                        	//将leader设置为当前线程
                            Thread thisThread = Thread.currentThread();
                            leader = thisThread;
                            try {
                            	//并等待任务距离执行的间隔时间
                                available.awaitNanos(delay);
                            } finally {
                            	//当唤醒时，需要看下是否leader被切换了，如果没被切换则设置为null
                                if (leader == thisThread)
                                    leader = null;
                            }
                        }
                    }
                }
            } finally {
                if (leader == null && queue[0] != null)
                    available.signal();
                lock.unlock();
            }
        }

到这里延迟队列就大致梳理完毕了，接下来就是收尾看看leader这个属性的作用。

问题是这样的，如果第一个任务被执行线程获取到并且不能执行，那么就会等待 该任务到执行时间的间隔时间 这么长的时间，但是第一个任务只有一个，那到时候唤醒之后大家还要来进行竞争，这就浪费资源了，所以解决方案就是，当一个线程回去到第一个任务，并且发现现在无法执行，那么他就说，这个任务我领了，到时候我醒过来执行，在唤醒你们执行后面的，你们直接等着就行。

文字太过苍白，举例子：