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这篇笔记#xff0c;我们要来介绍实现Java定时任务的第五个方案#xff0c;使用时间轮#xff0c;以及该方案的优点和缺点。 时间轮是一种高效的定时任务调度算法#xff0c;特别适用于大量定时任务的场景。时间轮的定时任务实现#xff0c;可以使用DelayQueue…时间轮
这篇笔记我们要来介绍实现Java定时任务的第五个方案使用时间轮以及该方案的优点和缺点。 时间轮是一种高效的定时任务调度算法特别适用于大量定时任务的场景。时间轮的定时任务实现可以使用DelayQueue作为基础。
在使用时间轮算法之前我要来简单介绍一下时间轮的一些概念便于大家理解。
我们可以把时间轮想象成一个时钟这个时钟被划分为12个格子每个格子代表一段时间间隔我们假设是1000ms(1s)每个格子里存放着这个时间段内需要执行的所有定时任务。时钟上有一根指针当指针指向哪个格子时格子内的定时任务就可以开始执行或者准备执行了每过一个时间间隔指针就向前移动一格执行下一个时间段的定时任务。
在我们上面的举例当中12个格子叫做时间槽时间轮可以被划分为多个固定大小的时间槽每一个时间槽代表一个时间段;时钟上的指针用来指示当前需要执行定时任务的时间槽
我们日常中的时钟是有三个指针的我们的时间轮也可以拓展成多级时间轮支持更长时间的定时任务调度。
实现
1.单个时间槽的实现
因为我们要使用DelayQueue作为基础实现时间轮所以我们首先要有一个实现了Delay接口的类来承接我们的单个定时任务如果对如何使用DelayQueue不了解的可以去看一下我的另一篇关于使用DelayQueue实现定时任务的小作文哦。 private static class TimerTask implements Delayed {private final Runnable task;private final long expiration;public TimerTask(Runnable task, long expiration) {this.task task;this.expiration expiration;}Overridepublic long getDelay(TimeUnit unit) {return unit.convert(expiration - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);}Overridepublic int compareTo(Delayed o) {return Long.compare(this.expiration, ((TimerTask) o).expiration);}public void run() {task.run();}} 接着因为我们的时间轮是处理一个时间槽内的一批定时任务所以我们还需要一个存储一个时间槽内所有定时任务的集合类或者说一个逻辑上的时间槽任务类。
这个逻辑时间槽任务类我们可以把时间槽也当成一个定时任务存放在时间轮中因此也要实现Delay接口任务执行的时间就是这个时间槽的表示的时间段的起始时间。
在这个时间槽类中我们其实就是使用DelayQueue来存取我们单个的定时任务说白了就是将DelayQueue实现定时任务的方法进行封装我们要对外暴露添加任务和执行任务的方法为了能够实现时间槽的复用当时间槽中的定时任务清空之后我们要重置这个时间槽的时间。 /*** TimerTaskList类实现了Delayed接口用于管理一组具有延迟执行需求的任务* */private static class TimerTaskList implements Delayed {// 任务的过期时间即任务应该被执行的时间点private long expiration;private ListTimerTask tasks;// 使用DelayQueue来存储具有延迟执行需求的TimerTask对象private DelayQueueTimerTask queue new DelayQueue();// ExecutorService用于执行任务它是在类初始化时通过构造函数传入的private final ExecutorService executorService;/*** 构造函数初始化ExecutorService** param executorService 用于执行任务的线程池*/public TimerTaskList(ExecutorService executorService) {this.executorService executorService;this.tasks new ArrayList();}/*** 向队列中添加一个新的TimerTask任务** param task 要添加的TimerTask对象*/public void addTask(TimerTask task) {tasks.add(task);queue.offer(task);}/*** 设置任务的过期时间* 只有当expiration尚未设置即值为0时才更新expiration值** param expiration 任务的过期时间* return 如果expiration成功设置则返回true否则返回false*/public boolean setExpiration(long expiration) {if (this.expiration 0) {this.expiration expiration;return true;}return false;}/*** 清除所有任务并重置过期时间** 本方法旨在清除所有当前持有的任务并将过期时间重置为0* 这在需要重新初始化或清理资源时特别有用*/public void clearTasks(){// 清除所有任务tasks.clear();// 重置过期时间为0表示没有过期时间expiration 0;}public ListTimerTask getTasks(){return tasks;}/*** 执行所有任务** 此方法遍历任务列表并依次执行每个任务的方法run* 在所有任务执行完毕后调用clearTasks方法清除任务列表*/public void executeTasks(){// 遍历任务列表for(TimerTask task:tasks){// 执行任务的run方法task.run();}// 所有任务执行完毕后清除任务列表clearTasks();}/*** 执行队列中的所有任务* 如果队列不为空则通过executorService执行每个任务* 在所有任务执行完毕后清除expiration值*/public void run() {if (!queue.isEmpty()) {executorService.execute(() - {while (!queue.isEmpty()) {try {queue.take().run();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}clearExpiration();});}}/*** 获取当前设置的过期时间** return 当前的expiration值*/public long getExpiration() {return expiration;}/*** 清除过期时间设置将expiration重置为0*/public void clearExpiration() {expiration 0;}/*** 实现Delayed接口的getDelay方法* 计算当前时间与过期时间之间的差值以确定延迟时间** param unit 时间单位* return 剩余的延迟时间以指定的时间单位表示*/Overridepublic long getDelay(TimeUnit unit) {return unit.convert(expiration - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);}/*** 实现Delayed接口的compareTo方法* 用于比较两个TimerTaskList对象的过期时间** param o 另一个Delayed对象* return 如果当前对象的过期时间小于、等于或大于参数对象的过期时间则分别返回负数、零或正数*/Overridepublic int compareTo(Delayed o) {return Long.compare(this.expiration, ((TimerTaskList) o).expiration);}}2.将时间槽组成时间轮
完成了单个时间槽的实现之后剩下的就简单很多了将上面的两个类作为时间轮类的内部类将时间槽作为时间轮的一个定时任务来组成我们的时间轮。根据我们前面对于时间轮的描述时间轮其实就是多个时间槽围成一圈变成了一个时间轮。我们在学数据结构的时候学过循环队列把循环队列中的元素换成我们的时间槽再加上一个指针指向时间槽就真正构成了一个单层的时间轮了。注意这里的指针得使用原子类来保证并发安全因为我们的时间轮可能被多个线程同时使用。
如果时间轮的每一个时间槽存的也是一个时间轮那么多构成了多级时间轮对于多级时间轮我们只需要在最低级的时间轮中放置定时任务不需要放置子轮对于高级的时间轮我们只需要放置子轮不需要放置定时任务。
我们的时间轮要对外提供启动时间轮的方法添加定时任务到多级时间轮中的方法更新移动指针的方法以及执行时间轮中一批定时任务的方法。
public class TimingWheel {// 每个时间槽的时间间隔单位毫秒private static final int TICK_DURATION 1000;// 时间轮的大小即每个时间轮包含的时间槽数量private static final int WHEEL_SIZE 20;// 子时间轮列表用于处理超过当前时间轮处理能力的任务private final ListTimingWheel subWheels;// 当前时间轮的级别从0开始级别越高表示处理的时间跨度越大private final int level;// 最大时间轮级别用于确定时间轮的深度private final int maxLevel;// 共享的延迟队列用于存储所有到期的任务列表private final DelayQueueTimerTaskList sharedQueue;// 时间槽数组用于存储任务列表private final TimerTaskList[] buckets new TimerTaskList[WHEEL_SIZE];// 时间轮的当前刻度使用原子长整型确保线程安全private final AtomicLong tick new AtomicLong(0);// 任务执行线程池private final ExecutorService executorService;/*** 构造函数初始化时间轮** param maxLevel 最大时间轮级别用于确定时间轮的深度*/public TimingWheel(int maxLevel){this.level maxLevel;this.maxLevel maxLevel;this.subWheels new ArrayList();this.sharedQueue new DelayQueue();this.executorService Executors.newFixedThreadPool(WHEEL_SIZE1);if(maxLevel 0){for(int i 0;i WHEEL_SIZE;i){buckets[i] new TimerTaskList(this.executorService);}}else{for(int i 0; i WHEEL_SIZE;i){subWheels.add(new TimingWheel(maxLevel - 1, maxLevel,this.sharedQueue,this.executorService));}}}/*** 私有构造函数用于创建子时间轮** param level 当前时间轮的级别* param maxLevel 最大时间轮级别* param sharedQueue 共享的延迟队列* param executorService 任务执行线程池*/private TimingWheel(int level, int maxLevel,DelayQueueTimerTaskList sharedQueue,ExecutorService executorService) {this.level level;this.maxLevel maxLevel;this.subWheels new ArrayList();this.sharedQueue sharedQueue;this.executorService executorService;if (level 0) {for (int i 0; i WHEEL_SIZE; i) {subWheels.add(new TimingWheel(level - 1, maxLevel,this.sharedQueue,this.executorService));}}else{for (int i 0; i WHEEL_SIZE; i) {buckets[i] new TimerTaskList(this.executorService);}}}/*** 启动时间轮开始处理任务*/public void start() {executorService.execute(() - {while (true) {try {TimerTaskList bucket sharedQueue.take();long ticks (bucket.getExpiration() - System.currentTimeMillis())/ TICK_DURATION;if (ticks tick.get()) {Thread.sleep((ticks - tick.get()) * TICK_DURATION);}processTasks(bucket);// 更新时间轮指针tick.set(ticks);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();break;}}});}/*** 添加任务到时间轮** param task 要添加的任务* param delay 延迟时间单位毫秒*/public void addTask(Runnable task, long delay) {long currentTime System.currentTimeMillis();long expiration currentTime delay;//计算定时任务要放在哪一个时间槽中//下一层的时钟长度(如果level为0那就是一个槽的时间长度)long ts TICK_DURATION * (long)Math.pow(WHEEL_SIZE,level);//总时钟步数int ticks (int) ((delay) /ts);int bucketIndex ticks % WHEEL_SIZE;TimerTaskList bucket buckets[bucketIndex];if (level 0) {// 修正传递给子时间轮的延迟时间subWheels.get(bucketIndex).addTask(task, delay);} else {bucket.addTask(new TimerTask(task,expiration));if (bucket.setExpiration(expiration)) {sharedQueue.offer(bucket);}}}/*** 处理任务列表中的任务** param bucket 任务列表*/private void processTasks(TimerTaskList bucket) {bucket.run();
// bucket.executeTasks();if (level maxLevel) {for (TimingWheel subWheel : subWheels) {subWheel.advanceClock();}}}/*** 推动时间轮前进*/public void advanceClock() {tick.incrementAndGet();for (TimingWheel subWheel : subWheels) {subWheel.advanceClock();}}/*** TimerTask类表示一个具有延迟执行需求的任务*/private static class TimerTask implements Delayed {private final Runnable task;private final long expiration;public TimerTask(Runnable task, long expiration) {this.task task;this.expiration expiration;}Overridepublic long getDelay(TimeUnit unit) {return unit.convert(expiration - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);}Overridepublic int compareTo(Delayed o) {return Long.compare(this.expiration, ((TimerTask) o).expiration);}public void run() {task.run();}}/*** TimerTaskList类实现了Delayed接口用于管理一组具有延迟执行需求的任务* 它使用DelayQueue来存储这些任务并在满足执行条件时通过ExecutorService来执行它们*/private static class TimerTaskList implements Delayed {// 任务的过期时间即任务应该被执行的时间点private long expiration;private ListTimerTask tasks;// 使用DelayQueue来存储具有延迟执行需求的TimerTask对象private DelayQueueTimerTask queue new DelayQueue();// ExecutorService用于执行任务它是在类初始化时通过构造函数传入的private final ExecutorService executorService;/*** 构造函数初始化ExecutorService** param executorService 用于执行任务的线程池*/public TimerTaskList(ExecutorService executorService) {this.executorService executorService;this.tasks new ArrayList();}/*** 向队列中添加一个新的TimerTask任务** param task 要添加的TimerTask对象*/public void addTask(TimerTask task) {tasks.add(task);queue.offer(task);}/*** 设置任务的过期时间* 只有当expiration尚未设置即值为0时才更新expiration值** param expiration 任务的过期时间* return 如果expiration成功设置则返回true否则返回false*/public boolean setExpiration(long expiration) {if (this.expiration 0) {this.expiration expiration;return true;}return false;}/*** 清除所有任务并重置过期时间* * 本方法旨在清除所有当前持有的任务并将过期时间重置为0* 这在需要重新初始化或清理资源时特别有用*/public void clearTasks(){// 清除所有任务tasks.clear();// 重置过期时间为0表示没有过期时间expiration 0;}public ListTimerTask getTasks(){return tasks;}/*** 执行所有任务* * 此方法遍历任务列表并依次执行每个任务的方法run* 在所有任务执行完毕后调用clearTasks方法清除任务列表*/public void executeTasks(){// 遍历任务列表for(TimerTask task:tasks){// 执行任务的run方法task.run();}// 所有任务执行完毕后清除任务列表clearTasks();}/*** 执行队列中的所有任务* 如果队列不为空则通过executorService执行每个任务* 在所有任务执行完毕后清除expiration值*/public void run() {if (!queue.isEmpty()) {executorService.execute(() - {while (!queue.isEmpty()) {try {queue.take().run();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}clearExpiration();});}}/*** 获取当前设置的过期时间** return 当前的expiration值*/public long getExpiration() {return expiration;}/*** 清除过期时间设置将expiration重置为0*/public void clearExpiration() {expiration 0;}/*** 实现Delayed接口的getDelay方法* 计算当前时间与过期时间之间的差值以确定延迟时间** param unit 时间单位* return 剩余的延迟时间以指定的时间单位表示*/Overridepublic long getDelay(TimeUnit unit) {return unit.convert(expiration - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);}/*** 实现Delayed接口的compareTo方法* 用于比较两个TimerTaskList对象的过期时间** param o 另一个Delayed对象* return 如果当前对象的过期时间小于、等于或大于参数对象的过期时间则分别返回负数、零或正数*/Overridepublic int compareTo(Delayed o) {return Long.compare(this.expiration, ((TimerTaskList) o).expiration);}}
}优点
1.高效的时间管理
时间轮将时间划分为固定大小的时间槽每个时间槽代表一个时间段通过指针逐个扫描这些时间槽可以高效地管理和调度定时任务避免了频繁的线程唤醒和上下文切换。
2.低延迟和高吞吐量
由于时间轮采用的是批量处理到期任务的方式因此可以在较低的延迟下出来大量的定时任务提高系统的吞吐量。
3.扩展性强
时间轮可以通过多级时间轮的设计来支持更长的延迟时间子时间轮可以处理更长时间的任务从而使得整个系统能够灵活应对不同延迟需求的任务
4.简单易懂
时间轮的结构和工作原理相对简单易于理解和实现这使得我们可以快速上手并且在调试和维护的时候也更方便
缺点
1.固定的时间槽大小
时间轮的时间槽大小是固定的这可能导致某些场景下的精度不足。如果时间槽设置得太小会增加内存占用如果设置得太大则可能影响定时任务的精确度。
2.多级时间轮的复杂性
为了处理更长的延迟时间可以采用多级时间轮的设计但是这种设计会增加系统的复杂性。
3.任务堆积问题
当大量任务集中在同一个时间槽内时可能会导致任务堆积进而影响任务的执行效率和响应时间。
4.时钟漂移
在分布式系统中不同节点的时钟可能存在偏差这会影响时间轮的准确性。
