Java并发课程之ScheduledThreadPoolExecutor

简介： ScheduledThreadPoolExecutor继承自ThreadPoolExecutor。它主要用来在给定的延迟之后运行任务，或者定期执行任务。ScheduledThreadPoolExecutor的功能与Timer类似，但ScheduledThreadPoolExecutor功能更强大、更灵活。Timer对应的是单个后台线程，而ScheduledThreadPoolExecutor可以在构造函数中指定多个对应的后台线程数。ScheduledThreadPoolExecutor是一个实现类，可以在给定的延迟后运行命令，或者定期执行命令，适用于需要多个后台线程执行周期任务，同时为了满足资源管理的需求而需要限制后台线程的数量的应用场景。

实现原理： ScheduledThreadPoolExecutor会把待调度的任务（ScheduledFutureTask）放到一个DelayQueue中，ScheduledFutureTask主要包含3个成员变量：
· long型成员变量time，表示这个任务将要被执行的具体时间。
· long型成员变量sequenceNumber，表示这个任务被添加到ScheduledThreadPoolExecutor中的序号。
· long型成员变量period，表示任务执行的间隔周期。

DelayQueue封装了一个PriorityQueue，这个PriorityQueue会对队列中的Scheduled- FutureTask进行排序。排序时，time小的排在前面（时间早的任务将被先执行）。如果两个 ScheduledFutureTask的time相同，就比较sequenceNumber，sequenceNumber小的排在前面（也就是说，如果两个任务的执行时间相同，那么先提交的任务将被先执行）。

运行过程：
在这里插入图片描述
ScheduledThreadPoolExecutor的整个任务调度流程:
1、首先，任务被提交到线程池后，会判断线程池的状态，如果不是RUNNING状态会执行拒绝策略。
2、然后，将任务添加到阻塞队列中。（注意，由于DelayedWorkQueue是无界队列，所以一定会add成功）
3、然后，会创建一个工作线程，加入到核心线程池或者非核心线程池：

void ensurePrestart() {
    int wc = workerCountOf(ctl.get());
    if (wc < corePoolSize)
        addWorker(null, true);
    else if (wc == 0)
        addWorker(null, false);
}

通过ensurePrestart可以看到，如果核心线程池未满，则新建的工作线程会被放到核心线程池中。如果核心线程池已经满了，ScheduledThreadPoolExecutor不会像ThreadPoolExecutor那样再去创建归属于非核心线程池的工作线程，而是直接返回。也就是说，在ScheduledThreadPoolExecutor中，一旦核心线程池满了，就不会再去创建工作线程。

最后，线程池中的工作线程会去任务队列获取任务并执行，当任务被执行完成后，如果该任务是周期任务，则会重置time字段，并重新插入队列中，等待下次执行。这里注意从队列中获取元素的方法：
· 对于核心线程池中的工作线程来说，如果没有超时设置（allowCoreThreadTimeOut == false），则会使用阻塞方法take获取任务（因为没有超时限制，所以会一直等待直到队列中有任务）；如果设置了超时，则会使用poll方法（方法入参需要超时时间），超时还没拿到任务的话，该工作线程就会被回收。
· 对于非工作线程来说，都是调用poll获取队列元素，超时取不到任务就会被回收。

延时队列： DelayedWorkQueue是一个无界队列，在队列元素满了以后会自动扩容，它并没有像DelayQueue那样，将队列操作委托给PriorityQueue，而是自己重新实现了一遍堆的核心操作——上浮、下沉。

offer方法：

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;           // 队列已满, 扩容
        if (i >= queue.length)
            grow();
        size = i + 1;
        if (i == 0) {
            queue[0] = e;
            setIndex(e, 0);
        } else {
            siftUp(i, e);       // 堆上浮操作
        }
        
        if (queue[0] == e) {    // 当前元素是首个元素
            leader = null;
            available.signal(); // 唤醒一个等待线程
        }   
    } finally {
        lock.unlock();
    }
    return true;
}

take方法：

public RunnableScheduledFuture<?> take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (; ; ) {
            RunnableScheduledFuture<?> first = queue[0];
            if (first == null)          // 队列为空
                available.await();      // 等待元素入队
            else {
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)         // 元素已到期
                    return finishPoll(first);
 
                // 执行到此处, 说明队首元素还未到期
                first = null;
                if (leader != null)
                    available.await();
                else {
                    // 当前线程成功leader线程
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && queue[0] != null)
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

每次出队元素时，如果队列为空或者队首元素还未到期，线程就会在condition条件队列等待。一般的思路是无限等待，直到出现一个入队线程，入队元素后将一个出队线程唤醒。
为了提升性能，当队列非空时，用leader保存第一个到来并尝试出队的线程，并设置它的等待时间为队首元素的剩余期限，这样当元素过期后，线程也就自己唤醒了，不需要入队线程唤醒。这样做的好处就是提升一些性能。

总结：ScheduledThreadPoolExecutor，它是对普通线程池ThreadPoolExecutor的扩展，增加了延时调度、周期调度任务的功能。ScheduledThreadPoolExecutor的主要特点：
1、对Runnable任务进行包装，封装成ScheduledFutureTask，该类任务支持任务的周期执行、延迟执行；
2、采用DelayedWorkQueue作为任务队列。该队列是无界队列，所以任务一定能添加成功，但是当工作线程尝试从队列取任务执行时，只有最先到期的任务会出队，如果没有任务或者队首任务未到期，则工作线程会阻塞；
3、ScheduledThreadPoolExecutor的任务调度流程与ThreadPoolExecutor略有区别，最大的区别就是，先往队列添加任务，然后创建工作线程执行任务。
4、另外，maximumPoolSize这个参数对ScheduledThreadPoolExecutor其实并没有作用，因为除非把corePoolSize设置为0，这种情况下ScheduledThreadPoolExecutor只会创建一个属于非核心线程池的工作线程；否则，ScheduledThreadPoolExecutor只会新建归属于核心线程池的工作线程，一旦核心线程池满了，就不再新建工作线程。

本文参考
本文主要参考以下文章，谨以技术分享为目的，将此文搬到CSDN上，如有侵权问题请联系本人，乐于分享提高。
作者： Ressmix
链接：https://segmentfault.com/a/1190000016672638

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