Java Timer&TimerTask原理分析
如果你使用Java語言進行開發，對于定時執行任務這樣的需求，自然而然會想到使用Timer和TimerTask完成任務，我最近就使用 Timer和TimerTask完成了一個定時執行的任務，實現得沒有問題，但當在TimerTaks的run()方法中使用 Thread.sleep()方式時，可能會出現奇怪的現象，好像Timer失效了，網上查了一下，倒是有人遇到了相同的問題，但是并沒有找到一篇解釋為什么會出現這種情況，期待有某位達人能夠分析清楚這個問題。
遇到了這樣的問題，始終讓我不爽，于是看了一下Timer的源碼，先將了解到的內容整理如下，接下來再看看Thread.sleep()的源碼，看能否找到問題所在。
在Java中，與定時任務執行相關的類很少，只有Timer、TimerTask、TimerThread、TaskQueue幾個，其中每個類的職責大致如下：
Timer：一個Task的調度類，和TimerTask一樣，暴露給最終用戶使用的類，通過schedule方法安排Task的執行計劃。該類通過TaskQueue和TimerThread類完成Task的調度。
TimerTask：實現Runnable接口，表明每一個任務均為一個獨立的線程。通過run()方法提供用戶定制自己任務。該類有一個比較重要的成員變量nextExecutionTime ，表示下一次執行該任務的時間。以后會看到，Timer機制就是靠這個值安排Task執行的。
TimerThread：繼承于Thread，是真正執行Task的類。
TaskQueue：一個存儲Task的數據結構，內部由一個最小堆實現，堆的每個成員為一個TimeTask，每個Task依靠其 nextExecutionTime值進行排序，也就是說，nextExecutionTime最小的任務在隊列的最前端，從而能夠現實最早執行。
要想使用Timer，用戶只需要了解Timer和TimerTask，下面現已一個最基本的Timer和TimerTask使用案例入手，來看一下Timer內部的實現原理。
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;
import org.junit.Test;
class TestTimerTask extends TimerTask {
@Override
public void run() {
System.out.println("TestTimerTask is running......");
}
}
public class TimerTaskTest {
@Test
public void testTimerTask() {
Timer timer = new Timer();
timer.schedule(new TestTimerTask(), 0, 10);
}
}
上面的代碼是一個典型的Timer&TimerTask的應用，下面先來看一下new Timer()干了什么事，其源碼如下：
public Timer(String name) {
thread.setName(name); //thread為TimerThread實例。
thread.start();
}
從上面的源代碼可以知道，創建Timer對象的同時也啟動了TimerThread線程。下面來看看TimerThread干了什么事：
public void run() {
try {
mainLoop(); //線程真正執行的代碼在這個私有方法中
} finally {
// Someone killed this Thread, behave as if Timer cancelled
synchronized(queue) {
newTasksMayBeScheduled = false;
queue.clear(); // Eliminate obsolete references
}
}
}
接著來看看私有方法mainLoop()干了什么事：
private void mainLoop() {
while (true) {
try {
TimerTask task;
boolean taskFired; //是否已經到達Task的執行時間，如果已經到達，設置為true，否則置為false
synchronized(queue) {
// Wait for queue to become non-empty
while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)
queue.wait(); //由此可以看出，Timer通過wait & notify 方法安排線程之間的同步
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)) { //Task的執行時間已到，設置taskFired為true
if (task.period == 0) { // Non-repeating, remove
queue.removeMin(); //移除隊列中的當前任務
task.state = TimerTask.EXECUTED;
} else { // Repeating task, reschedule
queue.rescheduleMin( //重新設置任務的下一次執行時間
task.period<0 ? currentTime - task.period
: executionTime + task.period);
}
}
}
if (!taskFired) // Task hasn't yet fired; wait
queue.wait(executionTime - currentTime); //還沒有執行時間，通過wait等待特定時間
}
if (taskFired) // Task fired; run it, holding no locks
task.run(); //已經到達執行時間，執行任務
} catch(InterruptedException e) {
}
}
}
也就是說，一旦創建了Timer類的實例，就一直存在一個循環在遍歷queue中的任務，如果有任務的話，就通過thread去執行該任務，否則線程通過wait()方法阻塞自己，由于沒有任務在隊列中，就沒有必要繼續thread中的循環。
上面提到，如果Timer的任務隊列中不包含任務時，Timer中的TimerThread線程并不會執行，接著來看看為Timer添加任務后會出現怎樣的情況。為Timer添加任務就是timer.schedule()干的事，schedule()方法直接調用Timer的私有方法 sched()，sched()是真正安排Task的地方，其源代碼如下：
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) //我喜歡virgin狀態，其他狀態表明該Task已經被schedule過了
throw new IllegalStateException(
"Task already scheduled or cancelled");
//設置Task下一次應該執行的時間, 由System.currentTimeMillis()+/-delay得到
task.nextExecutionTime = time;
task.period = period;
task.state = TimerTask.SCHEDULED;
}
queue.add(task); //queue為TaskQueue類的實例，添加任務到隊列中
if (queue.getMin() == task) //獲取隊列中nextExecutionTime最小的任務，如果與當前任務相同
queue.notify(); //還記得前面看到的queue.wait()方法么
}
}
不要奇怪，為什么要判斷queue.getMin() == task時，才通過queue.notify()恢復執行。因為這種方式已經滿足所有的喚醒要求了。
如果安排當前Task之前queue為空，顯然上述判斷為true，于是mainLoop()方法能夠繼續執行。
如果安排當前Task之前queue不為空，那么mainLoop()方法不會一直被阻塞，不需要notify方法調用。
調用該方法還有一個好處是，如果當前安排的Task的下一次執行時間比queue中其余Task的下一次執行時間都要小，通過notify方法可以提前打開queue.wait(executionTime - currentTime)方法對mainLoop()照成的阻塞，從而使得當前任務能夠被優先執行，有點搶占的味道。
上述分析可以看出，Java中Timer機制的實現僅僅使用了JDK中的方法，通過wait & notify機制實現，其源代碼也非常簡單，但可以想到的是這種實現機制會對開發者造成一種困擾，sched()方法中可以看出，對于一個重復執行的任務，Timer的實現機制是先安排Task下一次執行的時間，然后再啟動Task的執行，如果Task的執行時間大于下一次執行的間隔時間，可能出現不可預期的錯誤。當然，了解了Timer的實現原理，修改這種實現方式也就非常簡單了。