JavaEE 初阶（13）——多线程11之“定时器”

目录

一. 什么是“定时器”

二. 标准库的定时器 

三. 定时器的实现 MyTimer

3.1 分析思路

1. 创建执行任务的类。

 2. 管理任务

3. 执行任务

3.2 线程安全问题

四. 拓展

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一. 什么是“定时器”

   定时器是软件开发中的一个重要组件，类似于一个“闹钟”，达到一个设定的时间之后，就执行某个指定好的代码。

   定时器是一种实际开发中非常常用的组件：比如网络通信中，如果对方 500ms 内没有返回数据，则断开连接尝试重连；比如一个 Map，希望里面的某个 key 在 3s 之后过期(自动删除)
   类似于这样的场景就需要用到定时器。

二. 标准库的定时器 

   Timer类是一个线程安全的工具类，用于在指定的时间后执行或定期执行任务。它基于绝对时间，而不是基于固定时间间隔调度任务。Timer类比较简单，适用于简单的定时任务，但不适合处理复杂的调度需求。（ScheduleExecutorService 提供了更灵活的线程管理功能，适用于复杂的调度场景，并且能够处理异常）

• 标准库中（java.util.Timer ），Timer 类的核心方法为 schedule
• schedule 包含两个参数，第一个参数指定即将要执行的任务代码，第二个参数指定多长时间之后执行（单位为毫秒）

import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;public class Timer1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Timer timer1 = new Timer();timer1.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello delay"+" " +1000);}},1000);timer1.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello delay"+" " +2000);}},2000);timer1.schedule(new TimerTask() {@Overridepublic void run() {System.out.println("hello delay"+" " +3000);}},3000);// 等待提交的任务执行完毕后，调用 cancel 便可结束进程Thread.sleep(4000);timer1.cancel();}
}

三. 定时器的实现 MyTimer

3.1 分析思路

对于定时器来说：

1. 创建描述一个要执行的任务（任务内容 + 执行任务时间）的类
2. 管理多个任务，通过一定的数据结构，把多个任务存起来
3. 有专门的线程，执行这里的任务

1. 创建执行任务的类。

   我们在调用 schedule 时，传的是延迟时间 “delay” 值。但是，描述任务时，不太建议使用 delay

表示，最好使用 “绝对时间”（时间戳）来表示~~

public class MyTimerTask implements Comparable<MyTimerTask>{//此处这里的 time，通过毫秒时间戳，表示这个任务具体啥时候执行private long time;private Runnable runnable;public  MyTimerTask(Runnable runnable,long delay){this.time = System.currentTimeMillis() + delay;this.runnable = runnable;}public void run(){runnable.run();}public long getTime(){return time;}@Overridepublic int compareTo(MyTimerTask o) {//比如，当前时间是 10:30，任务时间是 12:00，不应该执行//如果当前时间是 10:30，任务时间是 10:29，应该执行//谁减去谁，可以通过实验判断return (int) (this.time - o.time);}
}

 2. 管理任务

   使用 List 管理任务，不是一个好选择——因为后续执行列表中的任务时，就需要依次遍历每个元素；执行完毕后，还需要把对应的任务从 List 中删除掉。

   我们需要按照时间来执行这里的任务。只要能够确定所有任务中，时间最早的任务，判定它是否到该执行的时间即可。如果时间最早的任务还没到执行时间，其他任务更不可能到时间了。因此，我们使用堆数据结构（涉及到队列中的元素排序时，考虑堆）——PriorityQueue<MyTimerTask>（优先级队列管理元素时，需要有比较方法，才能排序存储。因此，在实现 MyTimerTask 类时，要继承 Comparable<MyTimerTask> 接口，重写 compareTo比较方法）

3. 执行任务

   当创建 MyTimer 对象，调用无参构造方法时，便创建一个线程，循环执行从队列中取出任务的操作：取出队列中 “绝对时间” 最早的任务——如果当前时间 >= 此任务的时间（已经到达此任务的执行时间），便可调用run方法执行，执行完毕后从队列中删除； 如果当前时间 < 此任务的时间（没到此任务的执行时间），则继续执行循环。（所以，在实现 MyTimerTask 类时，要有 run方法 和 getTime方法）

   除此之外 ，还需要有 schedule 方法添加任务。

import java.util.PriorityQueue;public class MyTimer {private final PriorityQueue<MyTimerTask> queue = new PriorityQueue<>();public MyTimer() {Thread t = new Thread(() -> {while (true){if(queue.isEmpty()){ continue;}MyTimerTask task = queue.peek();//判断是否满足执行条件if (System.currentTimeMillis() >= task.getTime()) {task.run();//执行完后，便从队列中删除queue.poll();}else{continue;}}});t.start();}public void schedule(Runnable runnable, long delay) {MyTimerTask task = new MyTimerTask(runnable, delay);queue.offer(task);}
}

3.2 线程安全问题

   当前这个代码，是没有考虑线程安全问题的。

   PriorityQueue 这个类自身，是非线程安全的，并且又是多个线程来进行操作，一定存在线程安全问题的风险。因此，要在涉及队列相关操作的地方加锁。

import java.util.PriorityQueue;public class MyTimer {private final PriorityQueue<MyTimerTask> queue = new PriorityQueue<>();private final Object locker = new Object();public MyTimer() {Thread t = new Thread(() -> {while (true){synchronized(locker){if(queue.isEmpty()){ continue;}MyTimerTask task = queue.peek();if (System.currentTimeMillis() >= task.getTime()) {task.run();queue.poll();}else{continue;}}}});t.start();}public void schedule(Runnable runnable, long delay) {synchronized(locker){MyTimerTask task = new MyTimerTask(runnable, delay);queue.offer(task);}}
}

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   但是，加完锁以后，又出现了线程安全问题。 

1）初始情况下，如果队列中，没有任何元素。此时，就会在短时间内执行大量循环，这样的执行是没有意义的，导致“线程饿死”。

   因此，我们需要添加 wait 和 notify 机制：队列为空时，进行等待；添加任务时，就唤醒线程。

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 2）假设队列中，已经包含元素了，并且当前时间是 10:45，任务时间 12:00（类似于，我定了12:00的闹钟，现在是 10:45）。在判断任务是否满足执行条件时，不满足就会一直循环（相当于每隔一会儿就看一眼闹钟），这样无意义的执行就一直占用着cpu资源，导致 “线程饿死”。

   因此，我们需要添加一个有等待期限的 wait（等待 1h15min 就会执行），当到达任务执行时间，wait 就结束了。如果在等待过程中，又再次调用 schedule 方法，也会唤醒这里的 wait，进行新一轮的判断。

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 线程安全版：

import java.util.PriorityQueue;public class MyTimer {private final PriorityQueue<MyTimerTask> queue = new PriorityQueue<>();private final Object locker = new Object();public MyTimer() {Thread t = new Thread(() -> {try {while (true) {synchronized (locker) {while (queue.isEmpty()) {//如果还没添加任务，会不断循环执行判断，出现线程饿死。//continue;//因此，使用wait等待，当添加任务后唤醒locker.wait();}MyTimerTask task = queue.peek();if (System.currentTimeMillis() >= task.getTime()) {task.run();queue.poll();} else {//如果还没到任务执行时间，依旧不断循环判断，出现线程饿死。//continue;//因此，使用有等待期限的 wait，计算执行的时间与当前时间的差值//当添加新的任务后，wait 被唤醒，再进行新的判断locker.wait(task.getTime() - System.currentTimeMillis());}}}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});t.start();}public void schedule(Runnable runnable, long delay) {synchronized (locker){MyTimerTask task = new MyTimerTask(runnable, delay);queue.offer(task);// 唤醒 waitlocker.notify();}}
}

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 * 能否将第二处的 wait 改为 sleep 呢？ ——不能！！

 不应该使用sleep，可能存在以下情况：

     1）在 sleep 阻塞1h15min 的过程中，新来了一个时间更早的任务，比如 11:30 要执行。如果使用 wait ，每次新来的任务，都会把 wait 唤醒，重新设定 wait 的等待时间。而 sleep 不会被唤醒，依旧在阻塞着.....

     2）sleep 休眠的时候，不会释放锁。因此，在休眠的时候就是“抱着锁”，其他人想拿锁就拿不到了。

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 * PriorityQueue 是线程不安全的类，能否使用 PriorityBlockingQueue 线程安全的阻塞队列呢？——不能！！ 

   如果使用线程安全的队列，会导致代码中从 一把锁 变成 两把锁，很容易出现死锁的情况，比如持有和请求的情况（并非100%一定出现，但是需要程序员精心控制加锁顺序，使得编写代码的复杂度提高了。如果通篇代码 只有一把锁，就能更容易地解决问题）

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 * 如果某个任务的执行时间过长怎么办？ 

   此处只有一个线程，串行执行每一个任务。如果某个任务执行时间过长，可能会影响到定时器的准确性（特别是对于周期性任务），使后续的任务被延迟——解决方案，多创建几个这样的工作线程。

四. 拓展

   业界实现定时器，除了基于优先级队列的方式之外，还有一种经典的实现方式——“时间轮”

   “时间轮” 是一种设计巧妙的数据结构，通常用于高效处理大量的定时任务。它是定时器任务调度的一种优化方案，尤其在需要调度大量短任务的场景中非常有效。时间轮的概念类似于钟表，它将时间划分为固定数量的槽位，每个槽位对应一个时间间隔，用于存储该时间间隔内需要执行的任务。

   （这只是简单介绍，不做过多讨论，可自行查阅~~）

   定时器特别重要，也特别常用，尤其是后端开发中，和 “阻塞队列” 类似，也会有专门服务器，用来在分布式系统中实现定时器这样的效果。

• hashmap --> redis
• 阻塞队列 --> 消息队列
• 定时器 --> 定时任务