【多线程】模拟实现一个定时器

曾经终败给现在 2024-03-25 10:04 101阅读 0赞

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## 1. Java自带的定时器 ##

相信大家都定过闹钟，在我上学有早八的时候，硬是要定三个闹钟才起得来，7:20，7:30，7:40，那么我们今天所要实现的定时器，就类似于闹钟，设定多长时间之后，要干某某事情...

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等等

**在 Java 标准库中，也给我们提供了一个定时器：Timer 类，这个类的核心方法是 schedule。**

schedule 方法中包含了两个参数，第一个参数指定将要执行的代码，第二个参数指定多长时间之后执行，单位是毫秒。

public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("执行任务!");
            }
        }, 3000);
    }

此时我们运行程序，就会在 3s 后打印 "执行任务!"，这里有个点需要注意，我们描述任务使用的是 TimerTask 里的 run 方法，其实这个 TimerTask 里的 run 方法，跟 Runnable 的 run 方法是一模一样，因为源码实现中，TimerTask 类实现了 Runnable 这个接口，相当于多了一层封装！

当然我们也可以一次注册多个任务，这就好比列出一个清单一样：

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这里我们注意，清单上的任务有很多，每个任务多久后执行的时间点也不一样，那我写清单的时候，可能先想到下午要干嘛，再想到早上要干嘛，先在清单上写下午干的活，再写早上要干的活，但是我执行的顺序，肯定是先执行早上的任务，在执行中午，下午...

这就好比我们注册任务一样，先注册一个 3s 后执行的任务，再注册一个 2s 后执行的任务，显然后注册的任务要先执行！

public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("3秒后的任务执行");
            }
        }, 3000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("2秒后的任务执行");
            }
        }, 2000);
    }
    /*
    打印结果：
    2秒后的任务执行
    3秒后的任务执行
    */

有了上述对定时器的认识，这里我们就模拟实现一个 Timer(定时器)。

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## 2. 模拟实现定时器 ##

上述的案例和分析，我们能很清楚的认识到，并不是先注册的任务先执行，而是按照时间前后来执行，比如我们定了三个闹钟：17:30 14:00 16:00，那么肯定是 14:00 的闹钟最先响！

所以我们注册的任务也是同理，是带有优先级的！这个优先级取决你设定的时间，到了时间就启动。

想到优先级，在前面学习的数据结构中，有一个优先级队列 PriorityQueue，底层是用堆来实现的，这样一来我们可以建小堆，按照指定的时间进行比较，谁会最先执行，谁就是堆顶的元素。

同时我们在内部定义一个线程，来扫描堆中元素是否到点该执行了，由于我们是小堆，所以堆顶元素一定是最先执行的，如果堆顶的任务都不能执行，那么后面的任务肯定也都不能执行，所以这个线程只需要扫描堆顶的元素，判断堆顶元素是否到时间的就行！

但是问题又来了，调用 schedule 注册任务时是一个线程往堆中写，而 MyTimer 内部还有一个线程一直读堆顶元素，而这两个线程都是在操作里面的优先级队列，势必会有线程安全问题(一个线程读，一个线程写)，此处显然 PriorityQueue 就不行了，但是还有另外一个选择：PriorityBlockingQueue，这个上节我们提到过，是 Java 标准库提供的一个优先级阻塞队列，是线程安全的！

好了，基于上述的分析，下面我们就来模拟实现一个定时器，取名为 MyTimer：

**这里我们使用内部类的方式，利用 MyTask 类来描述任务和执行任务的时间：**

public class MyTimer {
        private static class MyTask implements Comparable<MyTask> {
            // 要执行的任务
            private Runnable runnable;
            // 执行任务的时间
            private long delay;
    
            private MyTask(Runnable runnable, long delay) {
                this.runnable = runnable;
                this.delay = delay;
            }
    
            private void run() {
                runnable.run();
            }
    
            // 重写 compareTo 按照执行时间进行比较
            @Override
            public int compareTo(MyTask o) {
                // 根据注册时间指定优先级, 建小堆
                return (int) (this.delay - o.delay);
            }
        }
    }

**接着 MyTimer 类中还需要有一个优先级阻塞队列来存放要执行的任务，加上一个线程来扫描堆顶元素：**

// 存放任务
    private PriorityBlockingQueue<MyTask> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
    
    // 扫描线程
    private Thread t;

**那么这个 t 线程如何扫描呢？此处我们可以在 MyTimer 构造方法中，让 t 线程进行扫描：**

public MyTimer() {
        t = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    MyTask task = queue.take();
                    // 判断是否到了执行时间了
                    if (task.delay <= System.currentTimeMillis()) {
                        // 执行任务
                        task.run();
                    } else {
                        // 没到时间把任务塞回队列
                        queue.put(task);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t.start();
    }

**最后就是 schedule 方法了：**

public void schedule(Runnable runnable, long delay) {
        // 注册一个任务, 执行时间为: 当前时间+延迟时间
        queue.put(new MyTask(runnable, System.currentTimeMillis() + delay));
    }

其实写到这，一个简单的定时器已经写完了，但是这个代码不够好，我们可以做优化！

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## 3. 定时器代码优化 ##

回过头来看我们上述写的 MyTimer 的构造方法，里面是一个 while (true) 循环，也就意味着这个线程要无止境的从队列中读元素，而这个线程会一直占用 CPU 资源。

举个例子，比如我现在定了一个早上 8:00 的闹钟，我 7点醒了，那么我打开手机一看，时间没到，关上手机，立刻又打开手机看，时间没到，关上手机，又马上打开手机看，还是没到时间.....

这里的 while (true) 循环就类似于上面的例子，t 线程从队列中取元素，发现时间没到，塞回队列，第一次循环结束，又从队列中取，发现时间没到，又塞回去....

有必要一直看到没到点吗？能不能让这个线程等一会呢？假设还差 100s，那就让这个线程等 100s 之后再执行嘛！这样还节省了 CPU 资源，更不用反复从队列中 take 和 put 了，也不用重复的向上调整了(堆的特性)！

于是我们就可以使用 wait 带参数版本，让线程主动等一段时间，等当前时间和执行到点时间的时间差就行，那么既然等的时间是明确的，可不可以采用 sleep 呢？

注意！sleep 是不建议的，如果当前需要等 30min 执行任务，那么在 sleep 的过程中，又添加了一个任务呢？只需要 10s 后执行呢？这样可能就会错过新任务的时间！有人说，sleep 不是也是可以唤醒吗？但是 sleep 的唤醒是会抛异常的，这个不推荐！

如果采用 wait 带参数，则会更合适，每次注册任务的时候，都 notify 唤醒一下，重新看堆顶的元素即可。

public MyTimer() {
        t = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    MyTask task = queue.take();
                    long curTime = System.currentTimeMillis();
                    if (curTime <= task.delay) {
                        // 到时间了执行任务
                        task.run();
                    } else {
                        // 没到时间先放回队列
                        queue.put(task);
                        // 根据当前时间和任务要执行的时间, 等一个时间差
                        synchronized (this) {
                            this.wait(curTime - task.delay);
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t.start();
    }
    
    public void schedule(Runnable runnable, long delay) {
        // 注册一个任务, 执行时间为: 当前时间+延迟时间
        queue.put(new MyTask(runnable, System.currentTimeMillis() + delay));
        // 每次有新的任务，都唤醒一下，让线程重新读堆顶元素，防止新任务最先执行
        synchronized (this) {
            this.notify();
        }
    }

**但是上述代码还存在一个线程安全问题！**

当代码执行完 12 行，就被 CPU 切走了，另一个线程开始注册任务，这个任务比堆中的其他任务都先执行，那么此时的 notify 就空喊一嗓子了，当 CPU 切回来时，扫描线程 t 就可能没有感知到又有新的任务注册进来了。

本质上就是 synchronized 范围太小了！我们扩大加锁的范围即可：

public MyTimer() {
        t = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    synchronized (this) {
                        MyTask task = queue.take();
                        long curTime = System.currentTimeMillis();
                        if (curTime <= task.delay) {
                            // 到时间了执行任务
                            task.run();
                        } else {
                            // 没到时间先放回队列
                            queue.put(task);
                            // 没到根据当前时间和任务要执行的时间, 等一个时间差
                            this.wait(curTime - task.delay);
                        }
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t.start();
    }

这样一来，t 线程读堆顶元素的时候，其他线程就不能放入元素了，等 t 线程执行到 this.wait()，就会自动释放锁，后面其他线程再注册任务的时候，每次 notify 就都是有效的了，t 也能感知到了！保证了每次 notify 都能有效唤醒！

那么实现到这，我们差不多已经能和自带的 Timer 差不多的效果了，但是注意！这里的定时器，不一定那么的准时！而我们目前能写到这个地步也就差不多可以了。

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**下期预告：【多线程】实现一个线程池**

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