Java 定时器

Posted 2022-01-27 一朵花花

上篇提到了 阻塞队列，本篇我们将优先级队列和阻塞队列结合，得到 阻塞优先队列，以此来实现一个定时器~

定时器

• • 定义
  • 应用场景
  • 定时器的实现：
  • • 定时器构成
    • 代码实现：
    • 代码分析：
    • • 忙等
      • 一处唤醒，两处阻塞
  • 附最终全部代码：
  • • 完整的执行过程：

定义

定时器，是多线程编程中的一个重要 / 常用组件

定时器可以强制终止请求：浏览器内部都有一个定时器，发送请求后，定时器就开始计时；若在规定时间内，响应数据没有返回，就会强制终止请求

定时器，有些逻辑不想立刻执行，而是要等一定的时间之后，再来执行
好比一个闹钟，在我们设定好闹钟时间后，到时间闹钟就会自动响起，无论设置闹钟时间的前后，设置的哪个时间先到就先响起

应用场景

定时器的应用场景非常广泛，网络编程中特别常见

画图举例：

浏览器中的定时器，时间单位一般是 s
服务器中的定时器，时间单位一般是 ms

定时器可以强制终止请求：浏览器内部都有一个定时器，发送请求后，定时器就开始计时；若在规定时间内，响应数据没有返回，就会强制终止请求

定时器的实现：

定时器构成

1. 使用一个类来描述"一段逻辑" (一个要执行的任务 task )，同时也要记录该任务在啥时候来执行
2. 使用一个阻塞优先队列来组织若干个任务，让队首元素是最早执行的任务，只检测队首元素是否到了时间即可
   阻塞优先队列：
   a.支持阻塞队列的特性
   b.支持按优先级的"先进先出"
   c.本质上是一个堆
   使用优先队列的目的就是：保证队首元素是就是那个最早执行到的任务
3. 用一个线程，循环扫描检测当前阻塞队列中的队首元素，若时间到，就执行指定任务
4. 提供一个方法，让调用者给队列中添加任务

代码实现：

优先队列中的元素必须是可比较的：
比较规则的指定主要有两种方式：

1. 让 task 实现 Comparable 接口
2. 让优先级队列在构造的时候，传入一个比较器对象(Comparator)

// 1.用一个类来描述任务
static class Task implements Comparable<Task>
    private Runnable command; // 当前任务
    private long time; // 开始执行的时间

    /*
    * command: 当前任务
    * after: 多少ms后执行，表示一个相对时间
    * */
    public Task(Runnable command, long after) 
        this.command = command;
        this.time = System.currentTimeMillis() + after;
    

    // 指定任务的具体逻辑
    public void run()
        command.run();
    

    @Override
    public int compareTo(Task o) 
        //谁的时间小 谁先执行
        return (int) (this.time - o.time);
    

Timer 实例中, 通过 PriorityBlockingQueue 来组织若干个 Task 对象.
通过 schedule 来往队列中插入一个个 Task 对象

static class Timer
    // 2.用一个阻塞优先队列来组织多干个任务，让队首元素是执行时间最早的元素
    // 标准库中的阻塞优先队列
    private PriorityBlockingQueue<Task> queue = new PriorityBlockingQueue<>();

    public Timer()
        Worker worker = new Worker(queue);
        worker.start();
    

    /*
    * 4.提供一个方法，让调用者添加任务
    * */
    public void schedule(Runnable command,long after)
        Task task = new Task(command,after);
        queue.put(task);
    

worker 线程, 一直不停的扫描队首元素, 看看是否能执行这个任务

/*
* 3.用一个线程，循环扫描检测当前阻塞队列中的队首元素，若时间到，就执行指定任务
* */
static class Worker extends Thread
    private PriorityBlockingQueue<Task> queue = null;

    public Worker(PriorityBlockingQueue<Task> queue) 
        this.queue = queue;
    

    @Override
    public void run() 
        while (true)
            try 
                // 1.取队首元素，检查是否已到时间
                Task task = queue.take();
                // 2.检查当前任务是否已到时间
                long curTime = System.currentTimeMillis();
                if(task.time > curTime)
                    //时间还没到, 就把任务再 送回队列中
                    queue.put(task);
                
                else 
                    // 时间到了, 直接执行
                    task.run();
                
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
                // 若线程出现问题,停止循环
                break;
            
        
    

测试代码：

public static void main(String[] args) 
    Timer timer = new Timer();
    timer.schedule(new Runnable() 
        @Override
        public void run() 
            System.out.println("呵呵~");
            timer.schedule(this,2000);
        
    ,2000);

输出结果：

代码分析：

忙等

上述代码明显存在一个严重问题：扫描线程在 "忙等"

扫描线程在循环扫描判断队首元素是否到了其发生时间，若时间一直未到，就会一直循环扫描，造成了无意义的CPU浪费
例： 早上8:30要上课，定了个8:00的闹钟，睁开眼看了下时间，发现是7:00，还有一个小时闹铃才响，再看了一眼时间，7:01，时间还没到，难道接下来一直看表嘛？？？每分钟看一次？？每秒看一次？？这样无疑是浪费精力的，且是没有意义的。这种情况就叫忙等

为了避免忙等，我们可以借助 wait( ) 来解决
在wait 和 nitify 里，我们提到了 wait( ) 的两种用法

• wait( )：死等，一直等到 notify 唤醒
• wait(time)：等待是有上限的
  若有 notify，就会被提前唤醒；
  若无 notify，时间到了后一样会被唤醒

当扫描线程发现当前队首元素还未到指定时间时，调用 wait( )方法，使线程阻塞，减少不必要的循环扫描判断，避免了频繁占用CPU；等待时间：任务发生时间 -当前时间
若在等待的过程中，插入了其他任务时间比当前任务早执行的任务，

解决方法：
1.扫描线程内部，加上wait
2.添加任务方法内部，加上notify

// 2.检查当前任务是否已到时间
long curTime = System.currentTimeMillis();
if(task.time > curTime)
	//时间还没到, 就把任务再 送回队列中
	queue.put(task);

	synchronized (locker)
		locker.wait(task.time - curTime);
	

/*
 1. 4.提供一个方法，让调用者添加任务
 2. */
public void schedule(Runnable command,long after)
    Task task = new Task(command,after);
    queue.put(task);
    synchronized (locker)
        locker.notify();
    

一处唤醒，两处阻塞

两种阻塞情况：

1. 当队列为空时，在 take 处阻塞

当阻塞队列为空时，出现阻塞，一旦调用 schedule方法，添加了新任务，其后的 notify 方法将唤醒这个线程

3. 若队列非空，时机还没到，就在wait 处阻塞

①插入的任务早于当前队首任务时间，这时队首元素将变为新的任务，再次执行之后的判断即可
②插入的任务等于或晚于当前队首任务时间，扫描线程继续阻塞

附最终全部代码：

/*
* 定时器
* */
public class ThreadDemo26 
    // 1.用一个类来描述任务
    static class Task implements Comparable<Task>
        private Runnable command; // 当前任务
        private long time; // 开始执行的时间

        /*
        * command: 当前任务
        * after: 多少ms后执行，表示一个相对时间
        * */
        public Task(Runnable command, long after) 
            this.command = command;
            this.time = System.currentTimeMillis() + after;
        

        // 指定任务的具体逻辑
        public void run()
            command.run();
        

        @Override
        public int compareTo(Task o) 
            //谁的时间小 谁先执行
            return (int) (this.time - o.time);
        
    

    static class Timer
        // 为了避免忙等，需要使用wait 方法，使用一个单独的对象，来辅助进行wait
        private Object locker = new Object();

        // 2.用一个阻塞优先队列来组织多干个任务，让队首元素是执行时间最早的元素
        // 标准库中的阻塞优先队列
        private PriorityBlockingQueue<Task> queue = new PriorityBlockingQueue<>();

        public Timer()
            Worker worker = new Worker(queue,locker);
            worker.start();
        

        /*
        * 4.提供一个方法，让调用者添加任务
        * */
        public void schedule(Runnable command,long after)
            Task task = new Task(command,after);
            queue.put(task);
            synchronized (locker)
                locker.notify();
            
        
    

    /*
    * 3.用一个线程，循环扫描检测当前阻塞队列中的队首元素，若时间到，就执行指定任务
    * */
    static class Worker extends Thread
        private PriorityBlockingQueue<Task> queue = null;
        private Object locker = null;

        public Worker(PriorityBlockingQueue<Task> queue,Object locker) 
            this.queue = queue;
            this.locker = locker;
        

        @Override
        public void run() 
            while (true)
                try 
                    // 1.取队首元素，检查是否已到时间
                    Task task = queue.take();
                    // 2.检查当前任务是否已到时间
                    long curTime = System.currentTimeMillis();
                    if(task.time > curTime)
                        //时间还没到, 就把任务再 送回队列中
                        queue.put(task);

                        synchronized (locker)
                            locker.wait(task.time - curTime);
                        
                    
                    else 
                        // 时间到了, 直接执行
                        task.run();
                    
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                    // 若线程出现问题,停止循环
                    break;
                
            
        
    

完整的执行过程：

初始情况下队列为空，故是在 take 处阻塞，当调用 schedule，队列中添加了新任务，其后的 notify
( ) 将会唤醒这个线程，取到 task 任务，获取当前时间，与 task 内时间比较，比较后：发现时间还没到，就让代码继续wait(触发第二处阻塞)，时间继续流逝…此时扫描线程没有占用CPU(wait)，当时间到的时候，wait 返回，下次循环中，再次尝试取队首元素(队列中有元素)，不会阻塞，直接取出来，时间到了，直接调用 task.run( ) 执行即可~