Timer與TimerTask的真正原理&使用介紹

本文轉自：http://blog.csdn.net/xieyuooo/article/details/8607220，尊重原著。

其實就Timer來講就是一個調度器,而TimerTask呢只是一個實現了run方法的一個類,而具體的TimerTask需要由你自己來實現,例如這樣:

Timer timer = new Timer();
timer.schedule(new TimerTask() {
        public void run() {
            System.out.println("abc");
        }
}, 200000 , 1000);

這裏直接實現一個TimerTask(當然，你可以實現多個TimerTask，多個TimerTask可以被一個Timer會被分配到多個Timer中被調度，後面會說到Timer的實現機制就是說內部的調度機制)，然後編寫run方法，20s後開始執行，每秒執行一次，當然你通過一個timer對象來操作多個timerTask，其實timerTask本身沒什麼意義，只是和timer集合操作的一個對象，實現它就必然有對應的run方法，以被調用，他甚至於根本不需要實現Runnable，因爲這樣往往混淆視聽了，爲什麼呢？也是本文要說的重點。

 

在說到timer的原理時，我們先看看Timer裏面的一些常見方法：

public void schedule(TimerTask task, long delay)

這個方法是調度一個task，經過delay(ms)後開始進行調度，僅僅調度一次。

public void schedule(TimerTask task, Date time)

在指定的時間點time上調度一次。

public void schedule(TimerTask task, long delay, long period)

這個方法是調度一個task，在delay（ms）後開始調度，每次調度完後，最少等待period（ms）後纔開始調度。

public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period)

和上一個方法類似，唯一的區別就是傳入的第二個參數爲第一次調度的時間。

public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period)

調度一個task，在delay(ms)後開始調度，然後每經過period(ms)再次調度，貌似和方法：schedule是一樣的，其實不然，後面你會根據源碼看到，schedule在計算下一次執行的時間的時候，是通過當前時間（在任務執行前得到） + 時間片，而scheduleAtFixedRate方法是通過當前需要執行的時間（也就是計算出現在應該執行的時間）+ 時間片，前者是運行的實際時間，而後者是理論時間點，例如：schedule時間片是5s，那麼理論上會在5、10、15、20這些時間片被調度，但是如果由於某些CPU徵用導致未被調度，假如等到第8s才被第一次調度，那麼schedule方法計算出來的下一次時間應該是第13s而不是第10s，這樣有可能下次就越到20s後而被少調度一次或多次，而scheduleAtFixedRate方法就是每次理論計算出下一次需要調度的時間用以排序，若第8s被調度，那麼計算出應該是第10s，所以它距離當前時間是2s，那麼再調度隊列排序中，會被優先調度，那麼就儘量減少漏掉調度的情況。

public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime,long period)

方法同上，唯一的區別就是第一次調度時間設置爲一個Date時間，而不是當前時間的一個時間片，我們在源碼中會詳細說明這些內容。

接下來看源碼

首先看Timer的構造方法有幾種：

 

構造方法1：無參構造方法，簡單通過Tiemer爲前綴構造一個線程名稱：

public Timer() {
    this("Timer-" + serialNumber());
}

傳入是否爲後臺線程，如果設置爲後臺線程，則主線程結束後，timer自動結束，而無需使用cancel來完成對timer的結束

構造方法2：傳入了是否爲後臺線程，後臺線程當且僅當進程結束時，自動註銷掉。

public Timer(boolean isDaemon) {
    this("Timer-" + serialNumber(), isDaemon);
}

另外兩個構造方法負責傳入名稱和將timer啓動：

public Timer(String name, boolean isDaemon) {
    thread.setName(name);
    thread.setDaemon(isDaemon);
    thread.start();
}

這裏有一個thread，這個thread很明顯是一個線程，被包裝在了Timer類中，我們看下這個thread的定義是：

private TimerThread thread = new TimerThread(queue);

而定義TimerThread部分的是：

class TimerThread extends Thread {

看到這裏知道了，Timer內部包裝了一個線程，用來做獨立於外部線程的調度，而TimerThread是一個default類型的，默認情況下是引用不到的，是被Timer自己所使用的。

 

接下來看下有那些屬性

除了上面提到的thread，還有一個很重要的屬性是：

private TaskQueue queue = new TaskQueue();

看名字就知道是一個隊列，隊列裏面可以先猜猜看是什麼，那麼大概應該是我要調度的任務吧，先記錄下了，接下來繼續向下看：

裏面還有一個屬性是：threadReaper，它是Object類型，只是重寫了finalize方法而已，是爲了垃圾回收的時候，將相應的信息回收掉，做GC的回補，也就是當timer線程由於某種原因死掉了，而未被cancel，裏面的隊列中的信息需要清空掉，不過我們通常是不會考慮這個方法的，所以知道java寫這個方法是幹什麼的就行了。

接下來看調度方法的實現：

對於上面6個調度方法，我們不做一一列舉，爲什麼等下你就知道了：

來看下方法：

public void schedule(TimerTask task, long delay)

的源碼如下：

public void schedule(TimerTask task, long delay) {
    if (delay < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
    sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, 0);
}

這裏調用了另一個方法，將task傳入，第一個參數傳入System.currentTimeMillis()+delay可見爲第一次需要執行的時間的時間點了（如果傳入Date，就是對象.getTime()即可，所以傳入Date的幾個方法就不用多說了），而第三個參數傳入了0，這裏可以猜下要麼是時間片，要麼是次數啥的，不過等會就知道是什麼了；另外關於方法：sched的內容我們不着急去看他，先看下重載的方法中是如何做的

在看看方法：

public void schedule(TimerTask task, long delay,long period)

源碼爲：

public void schedule(TimerTask task, long delay, long period) {
    if (delay < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
    if (period <= 0)
        throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
    sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, -period);
}

看來也調用了方法sched來完成調度，和上面的方法唯一的調度時候的區別是增加了傳入的period，而第一個傳入的是0，所以確定這個參數爲時間片，而不是次數，注意這個裏的period加了一個負數，也就是取反，也就是我們開始傳入1000，在調用sched的時候會變成-1000，其實最終閱讀完源碼後你會發現這個算是老外對於一種數字的理解，而並非有什麼特殊的意義，所以閱讀源碼的時候也有這些困難所在。

最後再看個方法是：

public void scheduleAtFixedRate(TimerTasktask,long delay,long period)

源碼爲：

public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period) {
    if (delay < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
    if (period <= 0)
        throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
    sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, period);
}

唯一的區別就是在period沒有取反，其實你最終閱讀完源碼，上面的取反沒有什麼特殊的意義，老外不想增加一個參數來表示scheduleAtFixedRate，而scheduleAtFixedRate和schedule的大部分邏輯代碼一致，因此用了參數的範圍來作爲區分方法，也就是當你傳入的參數不是正數的時候，你調用schedule方法正好是得到scheduleAtFixedRate的功能，而調用scheduleAtFixedRate方法的時候得到的正好是schedule方法的功能，呵呵，這些討論沒什麼意義，討論實質和重點：

 

來看sched方法的實現體：

 private void sched(TimerTask task, long time, long period) {
    if (time < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal execution time.");

    synchronized(queue) {
        if (!thread.newTasksMayBeScheduled)
            throw new IllegalStateException("Timer already cancelled.");

        synchronized(task.lock) {
            if (task.state != TimerTask.VIRGIN)
                throw new IllegalStateException(
                    "Task already scheduled or cancelled");
            task.nextExecutionTime = time;
            task.period = period;
            task.state = TimerTask.SCHEDULED;
        }

        queue.add(task);
        if (queue.getMin() == task)
            queue.notify();
    }
}

queue爲一個隊列，我們先不看他數據結構，看到他在做這個操作的時候，發生了同步，所以在timer級別，這個是線程安全的，最後將task相關的參數賦值，主要包含nextExecutionTime（下一次執行時間），period（時間片），state（狀態），然後將它放入queue隊列中，做一次notify操作，爲什麼要做notify操作呢？看了後面的代碼你就知道了。

 

簡言之，這裏就是講task放入隊列queue的過程，此時，你可能對queue的結構有些興趣，那麼我們先來看看queue屬性的結構TaskQueue：

class TaskQueue {

    private TimerTask[] queue = new TimerTask[128];

    private int size = 0;

 

可見，TaskQueue的結構很簡單，爲一個數組，加一個size，有點像ArrayList，是不是長度就128呢，當然不是，ArrayList可以擴容，它可以，只是會造成內存拷貝而已，所以一個Timer來講，只要內部的task個數不超過128是不會造成擴容的；內部提供了add(TimerTask)、size()、getMin()、get(int)、removeMin()、quickRemove(int)、rescheduleMin(long newTime)、isEmpty()、clear()、fixUp()、fixDown()、heapify()；

這裏面的方法大概意思是：

add(TimerTaskt)爲增加一個任務

size()任務隊列的長度

getMin()獲取當前排序後最近需要執行的一個任務，下標爲1，隊列頭部0是不做任何操作的。

get(inti)獲取指定下標的數據，當然包括下標0.

removeMin()爲刪除當前最近執行的任務，也就是第一個元素，通常只調度一次的任務，在執行完後，調用此方法，就可以將TimerTask從隊列中移除。

quickRmove(inti)刪除指定的元素，一般來說是不會調用這個方法的，這個方法只有在Timer發生purge的時候，並且當對應的TimerTask調用了cancel方法的時候，纔會被調用這個方法，也就是取消某個TimerTask，然後就會從隊列中移除（注意如果任務在執行中是，還是仍然在執行中的，雖然在隊列中被移除了），還有就是這個cancel方法並不是Timer的cancel方法而是TimerTask，一個是調度器的，一個是單個任務的，最後注意，這個quickRmove完成後，是將隊列最後一個元素補充到這個位置，所以此時會造成順序不一致的問題，後面會有方法進行回補。

rescheduleMin(long newTime)是重新設置當前執行的任務的下一次執行時間，並在隊列中將其從新排序到合適的位置，而調用的是後面說的fixDown方法。

對於fixUp和fixDown方法來講，前者是當新增一個task的時候，首先將元素放在隊列的尾部，然後向前找是否有比自己還要晚執行的任務，如果有，就將兩個任務的順序進行交換一下。而fixDown正好相反，執行完第一個任務後，需要加上一個時間片得到下一次執行時間，從而需要將其順序與後面的任務進行對比下。

其次可以看下fixDown的細節爲：

private void fixDown(int k) {
    int j;
    while ((j = k << 1) <= size && j > 0) {
        if (j < size &&
            queue[j].nextExecutionTime > queue[j+1].nextExecutionTime)
            j++; // j indexes smallest kid
        if (queue[k].nextExecutionTime <= queue[j].nextExecutionTime)
            break;
        TimerTask tmp = queue[j];  queue[j] = queue[k]; queue[k] = tmp;
        k = j;
    }
}

這種方式並非排序，而是找到一個合適的位置來交換，因爲並不是通過隊列逐個找的，而是每次移動一個二進制爲，例如傳入1的時候，接下來就是2、4、8、16這些位置，找到合適的位置放下即可，順序未必是完全有序的，它只需要看到距離調度部分的越近的是有序性越強的時候就可以了，這樣即可以保證一定的順序性，達到較好的性能。

 

最後一個方法是heapify，其實就是將隊列的後半截，全部做一次fixeDown的操作，這個操作主要是爲了回補quickRemove方法，當大量的quickRmove後，順序被打亂後，此時將一半的區域做一次非常簡單的排序即可。

 

這些方法我們不在說源碼了，只需要知道它提供了類似於ArrayList的東西來管理，內部有很多排序之類的處理，我們繼續回到Timer，裏面還有兩個方法是：cancel()和方法purge()方法，其實就cancel方法來講，一個取消操作，在測試中你會發現，如果一旦執行了這個方法timer就會結束掉，看下源碼是什麼呢：

public void cancel() {
    synchronized(queue) {
        thread.newTasksMayBeScheduled = false;
        queue.clear();
        queue.notify();  // In case queue was already empty.
    }
}

貌似僅僅將隊列清空掉，然後設置了newTasksMayBeScheduled狀態爲false，最後讓隊列也調用了下notify操作，但是沒有任何地方讓線程結束掉，那麼就要回到我們開始說的Timer中包含的thread爲：TimerThread類了，在看這個類之前，再看下Timer中最後一個purge()類，當你對很多Task做了cancel操作後，此時通過調用purge方法實現對這些cancel掉的類空間的回收，上面已經提到，此時會造成順序混亂，所以需要調用隊裏的heapify方法來完成順序的重排，源碼如下：

public int purge() {
     int result = 0;

     synchronized(queue) {
         for (int i = queue.size(); i > 0; i--) {
             if (queue.get(i).state == TimerTask.CANCELLED) {
                 queue.quickRemove(i);
                 result++;
             }
         }

         if (result != 0)
             queue.heapify();
     }
     return result;
 }

那麼調度呢，是如何調度的呢，那些notify，和清空隊列是如何做到的呢？我們就要看看TimerThread類了，內部有一個屬性是：newTasksMayBeScheduled，也就是我們開始所提及的那個參數在cancel的時候會被設置爲false。

另一個屬性定義了

    private TaskQueue queue;

也就是我們所調用的queue了，這下聯通了吧，不過這裏是queue是通過構造方法傳入的，傳入後賦值用以操作，很明顯是Timer傳遞給這個線程的，我們知道它是一個線程，所以執行的中心自然是run方法了，所以看下run方法的body部分是：

public void run() {
    try {
        mainLoop();
    } finally {
        synchronized(queue) {
            newTasksMayBeScheduled = false;
            queue.clear();  // Eliminate obsolete references
        }
    }
}

try很簡單，就一個mainLoop，看名字知道是主循環程序，finally中也就是必然執行的程序爲將參數爲爲false，並將隊列清空掉。

那麼最核心的就是mainLoop了，是的，看懂了mainLoop一切都懂了：

private void mainLoop() {
    while (true) {
        try {
            TimerTask task;
            boolean taskFired;
            synchronized(queue) {
                // Wait for queue to become non-empty
                while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)
                    queue.wait();
                if (queue.isEmpty())
                    break; // Queue is empty and will forever remain; die

                // Queue nonempty; look at first evt and do the right thing
                long currentTime, executionTime;
                task = queue.getMin();
                synchronized(task.lock) {
                    if (task.state == TimerTask.CANCELLED) {
                        queue.removeMin();
                        continue;  // No action required, poll queue again
                    }
                    currentTime = System.currentTimeMillis();
                    executionTime = task.nextExecutionTime;
                    if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) {
                        if (task.period == 0) { // Non-repeating, remove
                            queue.removeMin();
                            task.state = TimerTask.EXECUTED;
                        } else { // Repeating task, reschedule
                            queue.rescheduleMin(
                              task.period<0 ? currentTime   - task.period
                                            : executionTime + task.period);
                        }
                    }
                }
                if (!taskFired) // Task hasn't yet fired; wait
                    queue.wait(executionTime - currentTime);
            }
            if (taskFired)  // Task fired; run it, holding no locks
                task.run();
        } catch(InterruptedException e) {
        }
    }
}

可以發現這個timer是一個死循環程序，除非遇到不能捕獲的異常或break纔會跳出，首先注意這段代碼：

while (queue.isEmpty() &&newTasksMayBeScheduled)

                        queue.wait();

循環體爲循環過程中，條件爲queue爲空且newTasksMayBeScheduled狀態爲true，可以看到這個狀態其關鍵作用，也就是跳出循環的條件就是要麼隊列不爲空，要麼是newTasksMayBeScheduled狀態設置爲false纔會跳出，而wait就是在等待其他地方對queue發生notify操作，從上面的代碼中可以發現，當發生add、cancel以及在threadReaper調用finalize方法的時候會被調用，第三個我們基本可以不考慮其實發生add的時候也就是當隊列還是空的時候，發生add使得隊列不爲空就跳出循環，而cancel是設置了狀態，否則不會進入這個循環，那麼看下面的代碼：

if (queue.isEmpty())

         break;

當跳出上面的循環後，如果是設置了newTasksMayBeScheduled狀態爲false跳出，也就是調用了cancel，那麼queue就是空的，此時就直接跳出外部的死循環，所以cancel就是這樣實現的，如果下面的任務還在跑還沒運行到這裏來，cancel是不起作用的。

 

接下來是獲取一個當前系統時間和上次預計的執行時間，如果預計執行的時間小於當前系統時間，那麼就需要執行，此時判定時間片是否爲0，如果爲0，則調用removeMin方法將其移除，否則將task通過rescheduleMin設置最新時間並排序：

currentTime = System.currentTimeMillis();
executionTime = task.nextExecutionTime;
if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) {
      if (task.period == 0) { // Non-repeating, remove
           queue.removeMin();
           task.state = TimerTask.EXECUTED;
      } else { // Repeating task, reschedule
           queue.rescheduleMin(
           task.period<0 ? currentTime   - task.period
                              : executionTime + task.period);
     }
}

這裏可以看到，period爲負數的時候，就會被認爲是按照按照當前系統時間+一個時間片來計算下一次時間，就是前面說的schedule和scheduleAtFixedRate的區別了，其實內部是通過正負數來判定的，也許java是不想增加參數，而又想增加程序的可讀性，才這樣做，其實通過正負判定是有些詭異的，也就是你如果在schedule方法傳入負數達到的功能和scheduleAtFixedRate的功能是一樣的，相反在scheduleAtFixedRate方法中傳入負數功能和schedule方法是一樣的。

同時你可以看到period爲0，就是隻執行一次，所以時間片正負0都用上了，呵呵，然後再看看mainLoop接下來的部分：

if (!taskFired)// Taskhasn't yet fired; wait

    queue.wait(executionTime- currentTime);

這裏是如果任務執行時間還未到，就等待一段時間，當然這個等待很可能會被其他的線程操作add和cancel的時候被喚醒，因爲內部有notify方法，所以這個時間並不是完全準確，在這裏大多數情況下是考慮Timer內部的task信息是穩定的，cancel方法喚醒的話是另一回事。

 

最後：

if (taskFired) // Task fired; run it, holding no locks

task.run();

如果線程需要執行，那麼調用它的run方法，而並非啓動一個新的線程或從線程池中獲取一個線程來執行，所以TimerTask的run方法並不是多線程的run方法，雖然實現了Runnable，但是僅僅是爲了表示它是可執行的，並不代表它必須通過線程的方式來執行的。

 

回過頭來再看看：

Timer和TimerTask的簡單組合是多線程的嘛？不是，一個Timer內部包裝了“一個Thread”和“一個Task”隊列，這個隊列按照一定的方式將任務排隊處理，包含的線程在Timer的構造方法調用時被啓動，這個Thread的run方法無限循環這個Task隊列，若隊列爲空且沒發生cancel操作，此時會一直等待，如果等待完成後，隊列還是爲空，則認爲發生了cancel從而跳出死循環，結束任務；循環中如果發現任務需要執行的時間小於系統時間，則需要執行，那麼根據任務的時間片從新計算下次執行時間，若時間片爲0代表只執行一次，則直接移除隊列即可。

但是是否能實現多線程呢？可以，任何東西是否是多線程完全看個人意願，多個Timer自然就是多線程的，每個Timer都有自己的線程處理邏輯，當然Timer從這裏來看並不是很適合很多任務在短時間內的快速調度，至少不是很適合同一個timer上掛很多任務，在多線程的領域中我們更多是使用多線程中的：

Executors.newScheduledThreadPool

來完成對調度隊列中的線程池的處理，內部通過new ScheduledThreadPoolExecutor來創建線程池的Executor的創建，當然也可以調用：

Executors.unconfigurableScheduledExecutorService

方法來創建一個DelegatedScheduledExecutorService其實這個類就是包裝了下下scheduleExecutor，也就是這只是一個殼，英文理解就是被委派的意思，被託管的意思。