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整理自 沉默王二：原文。全文搬运仅供个人学习，请勿外传。
定时任务 ScheduledThreadPoolExecutor 类有两个用途：指定时间延迟后执行任务；周期性重复执行任务。
JDK 1.5 之前，主要使用Timer类来完成定时任务，但是Timer有以下缺陷：
- Timer 是单线程模式；
- 如果在执行任务期间某个 TimerTask 耗时较久，就会影响其它任务的调度；
- Timer 的任务调度是基于绝对时间的，对系统时间敏感；
- Timer 不会捕获执行 TimerTask 时所抛出的异常，由于 Timer 是单线程的，所以一旦出现异常，线程就会终止，其他任务无法执行。
于是 JDK 1.5 之后，开发者就抛弃了 Timer，开始使用ScheduledThreadPoolExecutor。先通过下面这张图感受下。
使用案例
假设我们有这样一个需求，指定时间给其他人发送消息。那么我们会将消息（包含发送时间）存储在数据库中，然后用一个定时任务，每隔 1 秒检查数据库在当前时间有没有需要发送的消息，那这个计划任务怎么完成呢？下面是一个 Demo:
java
public class ThreadPool {
private static final ScheduledExecutorService executor = new
ScheduledThreadPoolExecutor(1, Executors.defaultThreadFactory());
private static SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
public static void main(String[] args){
// 新建一个固定延迟时间的计划任务
executor.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {
@Override
public void run() {
if (haveMsgAtCurrentTime()) {
System.out.println(df.format(new Date()));
System.out.println("大家注意了，我要发消息了");
}
}
}, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
}
public static boolean haveMsgAtCurrentTime(){
//查询数据库，有没有当前时间需要发送的消息
//这里省略实现，直接返回true
return true;
}
}下面截取一段输出（demo 会一直运行下去）：
java
2023-08-24 16:16:48
大家注意了，我要发消息了
2023-08-24 16:16:49
大家注意了，我要发消息了
2023-08-24 16:16:50
大家注意了，我要发消息了
2023-08-24 16:16:51
大家注意了，我要发消息了
2023-08-24 16:16:52
大家注意了，我要发消息了
2023-08-24 16:16:53
大家注意了，我要发消息了
2023-08-24 16:16:54
大家注意了，我要发消息了
2023-08-24 16:16:55
大家注意了，我要发消息了这就是 ScheduledThreadPoolExecutor 的一个简单运用，接下来我们来看看它的实现原理。
类结构
java
public class ScheduledThreadPoolExecutor extends ThreadPoolExecutor
implements ScheduledExecutorService {
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize,ThreadFactory threadFactory) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE, 0, NANOSECONDS,
new DelayedWorkQueue(), threadFactory);
}
//……
}ScheduledThreadPoolExecutor 继承了ThreadPoolExecutor，并实现了ScheduledExecutorService接口。线程池 ThreadPoolExecutor 在之前介绍过了，相信大家都还有印象，接下来我们来看看 ScheduledExecutorService 接口。
java
public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {
/**
* 安排一个Runnable任务在给定的延迟后执行。
*
* @param command 需要执行的任务
* @param delay 延迟时间
* @param unit 时间单位
* @return 可用于提取结果或取消的ScheduledFuture
*/
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit);
/**
* 安排一个Callable任务在给定的延迟后执行。
*
* @param callable 需要执行的任务
* @param delay 延迟时间
* @param unit 时间单位
* @return 可用于提取结果或取消的ScheduledFuture
*/
public <V> ScheduledFuture<V> schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit);
/**
* 安排一个Runnable任务在给定的初始延迟后首次执行，随后每个period时间间隔执行一次。
*
* @param command 需要执行的任务
* @param initialDelay 首次执行的初始延迟
* @param period 连续执行之间的时间间隔
* @param unit 时间单位
* @return 可用于提取结果或取消的ScheduledFuture
*/
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
long initialDelay,
long period,
TimeUnit unit);
/**
* 安排一个Runnable任务在给定的初始延迟后首次执行，随后每次完成任务后等待指定的延迟再次执行。
*
* @param command 需要执行的任务
* @param initialDelay 首次执行的初始延迟
* @param delay 每次执行结束后的延迟时间
* @param unit 时间单位
* @return 可用于提取结果或取消的ScheduledFuture
*/
public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
long initialDelay,
long delay,
TimeUnit unit);
}ScheduledExecutorService 接口继承了 ExecutorService 接口，并增加了几个定时相关的接口方法。前两个方法用于单次调度执行任务，区别是有没有返回值。
重点介绍一下后面两个方法：
01、scheduleAtFixedRate
scheduleAtFixedRate 方法在initialDelay时长后第一次执行任务，以后每隔period时长再次执行任务。注意，period 是从任务开始执行算起的。开始执行任务后，定时器每隔 period 时长检查该任务是否完成，如果完成则再次启动任务，否则等该任务结束后才启动任务。看下图：
02、scheduleWithFixDelay
该方法在initialDelay时长后第一次执行任务，以后每当任务执行完成后，等待delay时长，再次执行任务。看下图。
相信大家能体会出来其中的差异。
主要方法
schedule
java
// delay时长后执行任务command，该任务只执行一次
public ScheduledFuture<?> schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) {
if (command == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
// 这里的decorateTask方法仅仅返回第二个参数
RunnableScheduledFuture<?> t = decorateTask(command,
new ScheduledFutureTask<Void>(command, null, triggerTime(delay,unit)));
// 延时或者周期执行任务的主要方法,稍后统一说明
delayedExecute(t);
return t;
}我们先看看里面涉及到的几个类和接口的关系图谱：
Delayed 接口
java
// 继承Comparable接口，表示该类对象支持排序
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
// 返回该对象剩余时延
long getDelay(TimeUnit unit);
}Delayed接口很简单，继承了Comparable接口，表示对象是可以比较排序的。
ScheduledFuture 接口
java
// 仅仅继承了Delayed和Future接口，自己没有任何代码
public interface ScheduledFuture<V> extends Delayed, Future<V> {
}RunnableScheduledFuture 接口
java
public interface RunnableScheduledFuture<V> extends RunnableFuture<V>, ScheduledFuture<V> {
// 是否是周期任务，周期任务可被调度运行多次，非周期任务只被运行一次
boolean isPeriodic();
}ScheduledFutureTask 类
回到schecule方法中，它创建了一个ScheduledFutureTask对象，由上面的关系图可知，ScheduledFutureTask直接或者间接实现了很多接口，一起看看ScheduledFutureTask里面的实现方法吧。
构造方法
java
ScheduledFutureTask(Runnable r, V result, long ns, long period) {
// 调用父类FutureTask的构造方法
super(r, result);
// time表示任务下次执行的时间
this.time = ns;
// 周期任务，正数表示按照固定速率，负数表示按照固定时延,0表示不是周期任务
this.period = period;
// 任务的编号
this.sequenceNumber = sequencer.getAndIncrement();
}Delayed 接口的实现
java
// 实现Delayed接口的getDelay方法，返回任务开始执行的剩余时间
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(time - now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}Comparable 接口的实现
java
// Comparable接口的compareTo方法，比较两个任务的”大小”。
public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this)
return 0;
if (other instanceof ScheduledFutureTask) {
ScheduledFutureTask<?> x = (ScheduledFutureTask<?>)other;
long diff = time - x.time;
// 小于0，说明当前任务的执行时间点早于other，要排在延时队列other的前面
if (diff < 0)
return -1;
// 大于0，说明当前任务的执行时间点晚于other，要排在延时队列other的后面
else if (diff > 0)
return 1;
// 如果两个任务的执行时间点一样，比较两个任务的编号，编号小的排在队列前面，编号大的排在队列后面
else if (sequenceNumber < x.sequenceNumber)
return -1;
else
return 1;
}
// 如果任务类型不是ScheduledFutureTask，通过getDelay方法比较
long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) -
other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);
}setNextRunTime
java
// 任务执行完后，设置下次执行的时间
private void setNextRunTime() {
long p = period;
// p > 0，说明是固定速率运行的任务
// 在原来任务开始执行时间的基础上加上p即可
if (p > 0)
time += p;
// p < 0，说明是固定时延运行的任务，
// 下次执行时间在当前时间(任务执行完成的时间)的基础上加上-p的时间
else
time = triggerTime(-p);
}Runnable 接口实现
java
public void run() {
boolean periodic = isPeriodic();
// 如果当前状态下不能执行任务，则取消任务
if (!canRunInCurrentRunState(periodic))
cancel(false);
// 不是周期性任务，执行一次任务即可，调用父类的run方法
else if (!periodic)
ScheduledFutureTask.super.run();
// 是周期性任务，调用FutureTask的runAndReset方法，方法执行完成后
// 重新设置任务下一次执行的时间，并将该任务重新入队，等待再次被调度
else if (ScheduledFutureTask.super.runAndReset()) {
setNextRunTime();
reExecutePeriodic(outerTask);
}
}总结一下 run 方法的执行过程：
- 如果当前线程池运行状态不运行执行任务，那么就取消该任务，然后直接返回，否则执行步骤 2；
- 如果不是周期性任务，调用 FutureTask 中的 run 方法执行，会设置执行结果，然后直接返回，否则执行步骤 3；
- 如果是周期性任务，调用 FutureTask 中的 runAndReset 方法执行，不会设置执行结果，然后直接返回，否则执行步骤 4 和步骤 5；
- 计算下次执行该任务的具体时间；
- 重复执行任务。
runAndReset方法是为任务多次执行而设计的。runAndReset方法执行完任务后不会设置任务的执行结果，也不会去更新任务的状态，以及维持任务的状态为初始状态（NEW状态），这也是该方法和 FutureTask run方法的区别。
scheduleAtFixedRate
我们看一下代码：
java
// 注意，固定速率和固定时延，传入的参数都是Runnable，也就是说这种定时任务是没有返回值的
public ScheduledFuture<?> scheduleAtFixedRate(Runnable command,
long initialDelay,
long period,
TimeUnit unit) {
if (command == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
if (period <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 创建一个有初始延时和固定周期的任务
ScheduledFutureTask<Void> sft =
new ScheduledFutureTask<Void>(command,
null,
triggerTime(initialDelay, unit),
unit.toNanos(period));
RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
// outerTask表示将会重新入队的任务
sft.outerTask = t;
// 稍后说明
delayedExecute(t);
return t;
}scheduleAtFixedRate这个方法和schedule类似，不同点是scheduleAtFixedRate方法内部创建的是ScheduledFutureTask，带有初始延时和固定周期的任务。
scheduleWithFixedDelay
scheduleWithFixedDelay也是通过ScheduledFutureTask体现的，唯一不同的地方在于创建的ScheduledFutureTask不同。
java
public ScheduledFuture<?> scheduleWithFixedDelay(Runnable command,
long initialDelay,
long delay,
TimeUnit unit) {
if (command == null || unit == null)
throw new NullPointerException();
if (delay <= 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 创建一个有初始延时和固定时延的任务
ScheduledFutureTask<Void> sft =
new ScheduledFutureTask<Void>(command,
null,
triggerTime(initialDelay, unit),
unit.toNanos(-delay));
RunnableScheduledFuture<Void> t = decorateTask(command, sft);
// outerTask表示将会重新入队的任务
sft.outerTask = t;
// 稍后说明
delayedExecute(t);
return t;
}delayedExecute
前面讲到的schedule、scheduleAtFixedRate和scheduleWithFixedDelay最后都调用了delayedExecute方法，该方法是定时任务执行的主要方法。 一起来看看源码：
java
private void delayedExecute(RunnableScheduledFuture<?> task) {
// 线程池已经关闭，调用拒绝执行处理器处理
if (isShutdown())
reject(task);
else {
// 将任务加入到等待队列
super.getQueue().add(task);
// 线程池已经关闭，且当前状态不能运行该任务，将该任务从等待队列移除并取消该任务
if (isShutdown() &&
!canRunInCurrentRunState(task.isPeriodic()) &&
remove(task))
task.cancel(false);
else
// 增加一个worker，就算corePoolSize=0也要增加一个worker
ensurePrestart();
}
}delayedExecute方法的逻辑也很简单，主要就是将任务添加到等待队列，然后调用ensurePrestart方法。
java
void ensurePrestart() {
int wc = workerCountOf(ctl.get());
if (wc < corePoolSize)
addWorker(null, true);
else if (wc == 0)
addWorker(null, false);
}ensurePrestart方法主要是调用了addWorker 方法，线程池中的工作线程就是通过该方法来启动并执行任务的。相信大家都还有印象。
对于ScheduledThreadPoolExecutor，worker添加到线程池后会在等待队列中等待获取任务，这点是和ThreadPoolExecutor是一致的。但是 worker 是怎么从等待队列取定时任务的呢？
DelayedWorkQueue
ScheduledThreadPoolExecutor使用了DelayedWorkQueue 来保存等待的任务。
该等待队列的队首应该保存的是最近将要执行的任务，所以worker只关心队首任务，如果队首任务的开始执行时间还未到，worker 也应该继续等待。
DelayedWorkQueue 是一个无界优先队列，使用数组存储，底层使用堆结构来实现优先队列的功能。
可以转换成如下的数组：
在这种结构中，可以发现有如下特性。假设，索引值从 0 开始，子节点的索引值为 k，父节点的索引值为 p，则：
- 一个节点的左子节点的索引为：k = p * 2 + 1；
- 一个节点的右子节点的索引为：k = (p + 1) * 2；
- 一个节点的父节点的索引为：p = (k - 1) / 2。
我们来看看 DelayedWorkQueue 的声明和成员变量：
java
static class DelayedWorkQueue extends AbstractQueue<Runnable>
implements BlockingQueue<Runnable> {
// 队列初始容量
private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
// 数组用来存储定时任务，通过数组实现堆排序
private RunnableScheduledFuture[] queue = new RunnableScheduledFuture[INITIAL_CAPACITY];
// 当前在队首等待的线程
private Thread leader = null;
// 锁和监视器，用于leader线程
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition available = lock.newCondition();
// 其他代码，略
}当一个线程成为 leader，它只需等待队首任务的 delay 时间即可，其他线程会无条件等待。leader 取到任务返回前要通知其他线程，直到有线程成为新的 leader。每当队首的定时任务被其他更早需要执行的任务替换，leader 就设置为 null，其他等待的线程（被当前 leader 通知）和当前的 leader 重新竞争成为 leader。
所有线程都会有三种身份中的一种：leader、follower，以及一个干活中的状态：proccesser。它的基本原则是，永远最多只有一个 leader。所有 follower 都在等待成为 leader。线程池启动时会自动产生一个 Leader 负责等待网络 IO 事件，当有一个事件产生时，Leader 线程首先通知一个 Follower 线程将其提拔为新的 Leader，然后自己就去干活了，去处理这个网络事件，处理完毕后加入 Follower 线程等待队列，等待下次成为 Leader。这种方法可以增强 CPU 高速缓存相似性，及消除动态内存分配和线程间的数据交换。
同时，定义了 ReentrantLock 锁 lock 和 Condition available 用于控制和通知下一个线程竞争成为 leader。
当一个新的任务成为队首，或者需要有新的线程成为 leader 时，available 监视器上的线程将会被通知，然后竞争成为 leader 线程。有些类似于生产者-消费者模式。
DelayedWorkQueue 是一个优先级队列，它可以保证每次出队的任务都是当前队列中执行时间最靠前的，由于它是基于堆结构的队列，堆结构在执行插入和删除操作时的最坏时间复杂度是 O(logN)。
接下来看看DelayedWorkQueue中几个比较重要的方法。
take
java
public RunnableScheduledFuture take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
// 取堆顶的任务，堆顶是最近要执行的任务
RunnableScheduledFuture first = queue[0];
// 堆顶为空，线程要在条件available上等待
if (first == null)
available.await();
else {
// 堆顶任务还要多长时间才能执行
long delay = first.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
// 堆顶任务已经可以执行了，finishPoll会重新调整堆，使其满足最小堆特性，该方法设置任务在
// 堆中的index为-1并返回该任务
if (delay <= 0)
return finishPoll(first);
// 如果leader不为空，说明已经有线程成为leader并等待堆顶任务
// 到达执行时间，此时，其他线程都需要在available条件上等待
else if (leader != null)
available.await();
else {
// leader为空，当前线程成为新的leader
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
// 当前线程已经成为leader了，只需要等待堆顶任务到达执行时间即可
available.awaitNanos(delay);
} finally {
// 返回堆顶元素之前将leader设置为空
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
// 通知其他在available条件等待的线程，这些线程可以去竞争成为新的leader
if (leader == null && queue[0] != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}take方法是什么时候调用的呢？
在讲解线程池的时候，我们介绍了getTask方法，工作线程会循环从workQueue中取任务。但计划任务却不同，因为一旦getTask方法取出了任务就开始执行了，而这时可能还没有到执行时间，所以在take方法中，要保证只有到指定的执行时间，任务才可以被取走。
总结一下流程：
- 如果堆顶元素为空，在 available 上等待。
- 如果堆顶任务的执行时间已到，将堆顶元素替换为堆的最后一个元素并调整堆使其满足最小堆特性，同时设置任务在堆中索引为-1，返回该任务。
- 如果 leader 不为空，说明已经有线程成为 leader 了，其他线程都要在 available 监视器上等待。
- 如果 leader 为空，当前线程成为新的 leader，并等待直到堆顶任务执行时间到达。
- take 方法返回之前，将 leader 设置为空，并通知其他线程。
再来说一下 leader 的作用，这里的 leader 是为了减少不必要的定时等待，当一个线程成为 leader 时，它只等待下一个节点的时间间隔，但其它线程无限期等待。 leader 线程必须在take()或poll()返回之前 signal 其它线程，除非其他线程成为了 leader。
举例来说，如果没有 leader，那么在执行 take 时，都要执行available.awaitNanos(delay)，假设当前线程执行了该段代码，这时还没有 signal，第二个线程也执行了该段代码，则第二个线程也要被阻塞。
但只有一个线程返回队首任务，其他的线程在awaitNanos(delay)之后，继续执行 for 循环，因为队首任务已经被返回了，所以这个时候的 for 循环拿到的队首任务是新的，又需要重新判断时间，又要继续阻塞。
所以，为了不让多个线程频繁的做无用的定时等待，这里增加了 leader，如果 leader 不为空，则说明队列中第一个节点已经在等待出队，这时其它的线程会一直阻塞，减少了无用的阻塞（注意，在finally中调用了signal()来唤醒一个线程，而不是signalAll()）。
offer
该方法往队列插入一个值，返回是否成功插入。
java
public boolean offer(Runnable x) {
if (x == null)
throw new NullPointerException();
RunnableScheduledFuture e = (RunnableScheduledFuture)x;
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
int i = size;
// 队列元素已经大于等于数组的长度，需要扩容，新堆的容量是原来堆容量的1.5倍
if (i >= queue.length)
grow();
// 堆中元素增加1
size = i + 1;
// 调整堆
if (i == 0) {
queue[0] = e;
setIndex(e, 0);
} else {
// 调整堆，使的满足最小堆，比较大小的方式就是上文提到的compareTo方法
siftUp(i, e);
}
if (queue[0] == e) {
leader = null;
// 通知其他在available条件上等待的线程，这些线程可以竞争成为新的leader
available.signal();
}
} finally {
lock.unlock();
}
return true;
}offer 方法实现了向延迟队列插入一个任务的操作，并保证整个队列仍然满足最小堆的性质。
最小堆（Min Heap）是一个完全二叉树，其中每一个父节点的值都小于或等于其子节点的值。换句话说，在最小堆中，根节点（即树的顶部）是所有节点中的最小值。
前面我们也提到过最小堆。我们来看一下用于调整堆的 siftUp 方法。
java
private void siftUp(int k, RunnableScheduledFuture<?> key) {
while (k > 0) {
// 找到父节点的索引
int parent = (k - 1) >>> 1;
// 获取父节点
RunnableScheduledFuture<?> e = queue[parent];
// 如果key节点的执行时间大于父节点的执行时间，不需要再排序了
if (key.compareTo(e) >= 0)
break;
// 如果key.compareTo(e) < 0，说明key节点的执行时间小于父节点的执行时间，需要把父节点移到后面
queue[k] = e;
// 设置索引为k
setIndex(e, k);
k = parent;
}
// key设置为排序后的位置中
queue[k] = key;
setIndex(key, k);
}代码很好理解，就是循环的根据key节点与它的父节点来判断，如果key节点的执行时间小于父节点，则将两个节点交换，使执行时间靠前的节点排列在队列的前面。
假设新入队的节点的延迟时间（调用getDelay()方法获得）是5，执行过程如下：
1、先将新的节点添加到数组的尾部，这时新节点的索引k为7：
2、计算新父节点的索引：parent = (k - 1) >>> 1，parent = 3，那么queue[3]的时间间隔值为8，因为 5 < 8 ，将执行queue[7] = queue[3]：
3、这时将k设置为3，继续循环，再次计算parent为1，queue[1]的时间间隔为3，因为 5 > 3 ，这时退出循环，最终k为3：
可见，每次新增节点时，只是根据父节点来判断，而不会影响兄弟节点。
小结
ScheduledThreadPoolExecutor是一个定时任务的线程池，它的主要作用是周期性的执行任务。它的实现原理是通过DelayedWorkQueue来保存等待的任务，DelayedWorkQueue是一个无界优先队列，使用数组存储，底层使用堆结构来实现优先队列的功能。
编辑：沉默王二，原文内容来源于朋友小七萤火虫开源的这个仓库：深入浅出 Java 多线程，强烈推荐。其他参考链接如下：
推荐阅读：读者三友的 11 种延迟任务的实现方式
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