Timer与TimerTask的真正原理&使用介绍

其实就Timer来讲就是一个调度器,而TimerTask呢只是一个实现了run方法的一个类,而具体的TimerTask需要由你自己来实现,例如这样:

Timer timer = new Timer();
timer.schedule(new TimerTask() {
		public void run() {
			System.out.println("abc");
		}
}, 200000 , 1000);

这里直接实现一个TimerTask(当然，你可以实现多个TimerTask，多个TimerTask可以被一个Timer会被分配到多个Timer中被调度，后面会说到Timer的实现机制就是说内部的调度机制)，然后编写run方法，20s后开始执行，每秒执行一次，当然你通过一个timer对象来操作多个timerTask，其实timerTask本身没什么意义，只是和timer集合操作的一个对象，实现它就必然有对应的run方法，以被调用，他甚至于根本不需要实现Runnable，因为这样往往混淆视听了，为什么呢？也是本文要说的重点。

在说到timer的原理时，我们先看看Timer里面的一些常见方法：

public void schedule(TimerTask task, long delay)

这个方法是调度一个task，经过delay(ms)后开始进行调度，仅仅调度一次。

public void schedule(TimerTask task, Date time)

在指定的时间点time上调度一次。

public void schedule(TimerTask task, long delay, long period)

这个方法是调度一个task，在delay（ms）后开始调度，每次调度完后，最少等待period（ms）后才开始调度。

public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period)

和上一个方法类似，唯一的区别就是传入的第二个参数为第一次调度的时间。

public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period)

调度一个task，在delay(ms)后开始调度，然后每经过period(ms)再次调度，貌似和方法：schedule是一样的，其实不然，后面你会根据源码看到，schedule在计算下一次执行的时间的时候，是通过当前时间（在任务执行前得到） + 时间片，而scheduleAtFixedRate方法是通过当前需要执行的时间（也就是计算出现在应该执行的时间）+ 时间片，前者是运行的实际时间，而后者是理论时间点，例如：schedule时间片是5s，那么理论上会在5、10、15、20这些时间片被调度，但是如果由于某些CPU征用导致未被调度，假如等到第8s才被第一次调度，那么schedule方法计算出来的下一次时间应该是第13s而不是第10s，这样有可能下次就越到20s后而被少调度一次或多次，而scheduleAtFixedRate方法就是每次理论计算出下一次需要调度的时间用以排序，若第8s被调度，那么计算出应该是第10s，所以它距离当前时间是2s，那么再调度队列排序中，会被优先调度，那么就尽量减少漏掉调度的情况。

public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime,long period)

方法同上，唯一的区别就是第一次调度时间设置为一个Date时间，而不是当前时间的一个时间片，我们在源码中会详细说明这些内容。

接下来看源码

首先看Timer的构造方法有几种：

构造方法1：无参构造方法，简单通过Tiemer为前缀构造一个线程名称：

public Timer() {
    this("Timer-" + serialNumber());
}

传入是否为后台线程，如果设置为后台线程，则主线程结束后，timer自动结束，而无需使用cancel来完成对timer的结束

构造方法2：传入了是否为后台线程，后台线程当且仅当进程结束时，自动注销掉。

public Timer(boolean isDaemon) {
    this("Timer-" + serialNumber(), isDaemon);
}

另外两个构造方法负责传入名称和将timer启动：

    public Timer(String name, boolean isDaemon) {
        thread.setName(name);
        thread.setDaemon(isDaemon);
        thread.start();
    }

这里有一个thread，这个thread很明显是一个线程，被包装在了Timer类中，我们看下这个thread的定义是：

private TimerThread thread = new TimerThread(queue);

而定义TimerThread部分的是：

class TimerThread extends Thread {

看到这里知道了，Timer内部包装了一个线程，用来做独立于外部线程的调度，而TimerThread是一个default类型的，默认情况下是引用不到的，是被Timer自己所使用的。

接下来看下有那些属性

除了上面提到的thread，还有一个很重要的属性是：

private TaskQueue queue = new TaskQueue();

看名字就知道是一个队列，队列里面可以先猜猜看是什么，那么大概应该是我要调度的任务吧，先记录下了，接下来继续向下看：

里面还有一个属性是：threadReaper，它是Object类型，只是重写了finalize方法而已，是为了垃圾回收的时候，将相应的信息回收掉，做GC的回补，也就是当timer线程由于某种原因死掉了，而未被cancel，里面的队列中的信息需要清空掉，不过我们通常是不会考虑这个方法的，所以知道java写这个方法是干什么的就行了。

接下来看调度方法的实现：

对于上面6个调度方法，我们不做一一列举，为什么等下你就知道了：

来看下方法：

public void schedule(TimerTask task, long delay)

的源码如下：

    public void schedule(TimerTask task, long delay) {
        if (delay < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
        sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, 0);
    }

这里调用了另一个方法，将task传入，第一个参数传入System.currentTimeMillis()+delay可见为第一次需要执行的时间的时间点了（如果传入Date，就是对象.getTime()即可，所以传入Date的几个方法就不用多说了），而第三个参数传入了0，这里可以猜下要么是时间片，要么是次数啥的，不过等会就知道是什么了；另外关于方法：sched的内容我们不着急去看他，先看下重载的方法中是如何做的

在看看方法：

public void schedule(TimerTask task, long delay,long period)

源码为：

    public void schedule(TimerTask task, long delay, long period) {
        if (delay < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
        if (period <= 0)
            throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
        sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, -period);
    }

看来也调用了方法sched来完成调度，和上面的方法唯一的调度时候的区别是增加了传入的period，而第一个传入的是0，所以确定这个参数为时间片，而不是次数，注意这个里的period加了一个负数，也就是取反，也就是我们开始传入1000，在调用sched的时候会变成-1000，其实最终阅读完源码后你会发现这个算是老外对于一种数字的理解，而并非有什么特殊的意义，所以阅读源码的时候也有这些困难所在。

最后再看个方法是：

public void scheduleAtFixedRate(TimerTasktask,long delay,long period)

源码为：

    public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period) {
        if (delay < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
        if (period <= 0)
            throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");
        sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, period);
    }

唯一的区别就是在period没有取反，其实你最终阅读完源码，上面的取反没有什么特殊的意义，老外不想增加一个参数来表示scheduleAtFixedRate，而scheduleAtFixedRate和schedule的大部分逻辑代码一致，因此用了参数的范围来作为区分方法，也就是当你传入的参数不是正数的时候，你调用schedule方法正好是得到scheduleAtFixedRate的功能，而调用scheduleAtFixedRate方法的时候得到的正好是schedule方法的功能，呵呵，这些讨论没什么意义，讨论实质和重点：

来看sched方法的实现体：

     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)
                    throw new IllegalStateException(
                        "Task already scheduled or cancelled");
                task.nextExecutionTime = time;
                task.period = period;
                task.state = TimerTask.SCHEDULED;
            }

            queue.add(task);
            if (queue.getMin() == task)
                queue.notify();
        }
    }

queue为一个队列，我们先不看他数据结构，看到他在做这个操作的时候，发生了同步，所以在timer级别，这个是线程安全的，最后将task相关的参数赋值，主要包含nextExecutionTime（下一次执行时间），period（时间片），state（状态），然后将它放入queue队列中，做一次notify操作，为什么要做notify操作呢？看了后面的代码你就知道了。

简言之，这里就是讲task放入队列queue的过程，此时，你可能对queue的结构有些兴趣，那么我们先来看看queue属性的结构TaskQueue：

class TaskQueue {

    private TimerTask[] queue = new TimerTask[128];

    private int size = 0;

可见，TaskQueue的结构很简单，为一个数组，加一个size，有点像ArrayList，是不是长度就128呢，当然不是，ArrayList可以扩容，它可以，只是会造成内存拷贝而已，所以一个Timer来讲，只要内部的task个数不超过128是不会造成扩容的；内部提供了add(TimerTask)、size()、getMin()、get(int)、removeMin()、quickRemove(int)、rescheduleMin(long newTime)、isEmpty()、clear()、fixUp()、fixDown()、heapify()；

这里面的方法大概意思是：

add(TimerTaskt)为增加一个任务

size()任务队列的长度

getMin()获取当前排序后最近需要执行的一个任务，下标为1，队列头部0是不做任何操作的。

get(inti)获取指定下标的数据，当然包括下标0.

removeMin()为删除当前最近执行的任务，也就是第一个元素，通常只调度一次的任务，在执行完后，调用此方法，就可以将TimerTask从队列中移除。

quickRmove(inti)删除指定的元素，一般来说是不会调用这个方法的，这个方法只有在Timer发生purge的时候，并且当对应的TimerTask调用了cancel方法的时候，才会被调用这个方法，也就是取消某个TimerTask，然后就会从队列中移除（注意如果任务在执行中是，还是仍然在执行中的，虽然在队列中被移除了），还有就是这个cancel方法并不是Timer的cancel方法而是TimerTask，一个是调度器的，一个是单个任务的，最后注意，这个quickRmove完成后，是将队列最后一个元素补充到这个位置，所以此时会造成顺序不一致的问题，后面会有方法进行回补。

rescheduleMin(long newTime)是重新设置当前执行的任务的下一次执行时间，并在队列中将其从新排序到合适的位置，而调用的是后面说的fixDown方法。

对于fixUp和fixDown方法来讲，前者是当新增一个task的时候，首先将元素放在队列的尾部，然后向前找是否有比自己还要晚执行的任务，如果有，就将两个任务的顺序进行交换一下。而fixDown正好相反，执行完第一个任务后，需要加上一个时间片得到下一次执行时间，从而需要将其顺序与后面的任务进行对比下。

其次可以看下fixDown的细节为：

    private void fixDown(int k) {
        int j;
        while ((j = k << 1) <= size && j > 0) {
            if (j < size &&
                queue[j].nextExecutionTime > queue[j+1].nextExecutionTime)
                j++; // j indexes smallest kid
            if (queue[k].nextExecutionTime <= queue[j].nextExecutionTime)
                break;
            TimerTask tmp = queue[j];  queue[j] = queue[k]; queue[k] = tmp;
            k = j;
        }
    }

这种方式并非排序，而是找到一个合适的位置来交换，因为并不是通过队列逐个找的，而是每次移动一个二进制为，例如传入1的时候，接下来就是2、4、8、16这些位置，找到合适的位置放下即可，顺序未必是完全有序的，它只需要看到距离调度部分的越近的是有序性越强的时候就可以了，这样即可以保证一定的顺序性，达到较好的性能。

最后一个方法是heapify，其实就是将队列的后半截，全部做一次fixeDown的操作，这个操作主要是为了回补quickRemove方法，当大量的quickRmove后，顺序被打乱后，此时将一半的区域做一次非常简单的排序即可。

这些方法我们不在说源码了，只需要知道它提供了类似于ArrayList的东西来管理，内部有很多排序之类的处理，我们继续回到Timer，里面还有两个方法是：cancel()和方法purge()方法，其实就cancel方法来讲，一个取消操作，在测试中你会发现，如果一旦执行了这个方法timer就会结束掉，看下源码是什么呢：

    public void cancel() {
        synchronized(queue) {
            thread.newTasksMayBeScheduled = false;
            queue.clear();
            queue.notify();  // In case queue was already empty.
        }
    }

貌似仅仅将队列清空掉，然后设置了newTasksMayBeScheduled状态为false，最后让队列也调用了下notify操作，但是没有任何地方让线程结束掉，那么就要回到我们开始说的Timer中包含的thread为：TimerThread类了，在看这个类之前，再看下Timer中最后一个purge()类，当你对很多Task做了cancel操作后，此时通过调用purge方法实现对这些cancel掉的类空间的回收，上面已经提到，此时会造成顺序混乱，所以需要调用队里的heapify方法来完成顺序的重排，源码如下：

    public int purge() {
         int result = 0;

         synchronized(queue) {
             for (int i = queue.size(); i > 0; i--) {
                 if (queue.get(i).state == TimerTask.CANCELLED) {
                     queue.quickRemove(i);
                     result++;
                 }
             }

             if (result != 0)
                 queue.heapify();
         }
         return result;
     }

那么调度呢，是如何调度的呢，那些notify，和清空队列是如何做到的呢？我们就要看看TimerThread类了，内部有一个属性是：newTasksMayBeScheduled，也就是我们开始所提及的那个参数在cancel的时候会被设置为false。

另一个属性定义了

private TaskQueue queue;

也就是我们所调用的queue了，这下联通了吧，不过这里是queue是通过构造方法传入的，传入后赋值用以操作，很明显是Timer传递给这个线程的，我们知道它是一个线程，所以执行的中心自然是run方法了，所以看下run方法的body部分是：

    public void run() {
        try {
            mainLoop();
        } finally {
            synchronized(queue) {
                newTasksMayBeScheduled = false;
                queue.clear();  // Eliminate obsolete references
            }
        }
    }

try很简单，就一个mainLoop，看名字知道是主循环程序，finally中也就是必然执行的程序为将参数为为false，并将队列清空掉。

那么最核心的就是mainLoop了，是的，看懂了mainLoop一切都懂了：

    private void mainLoop() {
        while (true) {
            try {
                TimerTask task;
                boolean taskFired;
                synchronized(queue) {
                    // Wait for queue to become non-empty
                    while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)
                        queue.wait();
                    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)) {
                            if (task.period == 0) { // Non-repeating, remove
                                queue.removeMin();
                                task.state = TimerTask.EXECUTED;
                            } else { // Repeating task, reschedule
                                queue.rescheduleMin(
                                  task.period<0 ? currentTime   - task.period
                                                : executionTime + task.period);
                            }
                        }
                    }
                    if (!taskFired) // Task hasn't yet fired; wait
                        queue.wait(executionTime - currentTime);
                }
                if (taskFired)  // Task fired; run it, holding no locks
                    task.run();
            } catch(InterruptedException e) {
            }
        }
    }

可以发现这个timer是一个死循环程序，除非遇到不能捕获的异常或break才会跳出，首先注意这段代码：

while (queue.isEmpty() &&newTasksMayBeScheduled)

queue.wait();

循环体为循环过程中，条件为queue为空且newTasksMayBeScheduled状态为true，可以看到这个状态其关键作用，也就是跳出循环的条件就是要么队列不为空，要么是newTasksMayBeScheduled状态设置为false才会跳出，而wait就是在等待其他地方对queue发生notify操作，从上面的代码中可以发现，当发生add、cancel以及在threadReaper调用finalize方法的时候会被调用，第三个我们基本可以不考虑其实发生add的时候也就是当队列还是空的时候，发生add使得队列不为空就跳出循环，而cancel是设置了状态，否则不会进入这个循环，那么看下面的代码：

if (queue.isEmpty())

break;

当跳出上面的循环后，如果是设置了newTasksMayBeScheduled状态为false跳出，也就是调用了cancel，那么queue就是空的，此时就直接跳出外部的死循环，所以cancel就是这样实现的，如果下面的任务还在跑还没运行到这里来，cancel是不起作用的。

接下来是获取一个当前系统时间和上次预计的执行时间，如果预计执行的时间小于当前系统时间，那么就需要执行，此时判定时间片是否为0，如果为0，则调用removeMin方法将其移除，否则将task通过rescheduleMin设置最新时间并排序：

currentTime = System.currentTimeMillis();
executionTime = task.nextExecutionTime;
if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) {
      if (task.period == 0) { // Non-repeating, remove
           queue.removeMin();
           task.state = TimerTask.EXECUTED;
      } else { // Repeating task, reschedule
           queue.rescheduleMin(
           task.period<0 ? currentTime   - task.period
                              : executionTime + task.period);
     }
}

这里可以看到，period为负数的时候，就会被认为是按照按照当前系统时间+一个时间片来计算下一次时间，就是前面说的schedule和scheduleAtFixedRate的区别了，其实内部是通过正负数来判定的，也许java是不想增加参数，而又想增加程序的可读性，才这样做，其实通过正负判定是有些诡异的，也就是你如果在schedule方法传入负数达到的功能和scheduleAtFixedRate的功能是一样的，相反在scheduleAtFixedRate方法中传入负数功能和schedule方法是一样的。

同时你可以看到period为0，就是只执行一次，所以时间片正负0都用上了，呵呵，然后再看看mainLoop接下来的部分：

if (!taskFired)// Taskhasn't yet fired; wait

queue.wait(executionTime- currentTime);

这里是如果任务执行时间还未到，就等待一段时间，当然这个等待很可能会被其他的线程操作add和cancel的时候被唤醒，因为内部有notify方法，所以这个时间并不是完全准确，在这里大多数情况下是考虑Timer内部的task信息是稳定的，cancel方法唤醒的话是另一回事。

最后：

if (taskFired)// Task fired; run it, holding no locks

task.run();

如果线程需要执行，那么调用它的run方法，而并非启动一个新的线程或从线程池中获取一个线程来执行，所以TimerTask的run方法并不是多线程的run方法，虽然实现了Runnable，但是仅仅是为了表示它是可执行的，并不代表它必须通过线程的方式来执行的。

回过头来再看看：

Timer和TimerTask的简单组合是多线程的嘛？不是，一个Timer内部包装了“一个Thread”和“一个Task”队列，这个队列按照一定的方式将任务排队处理，包含的线程在Timer的构造方法调用时被启动，这个Thread的run方法无限循环这个Task队列，若队列为空且没发生cancel操作，此时会一直等待，如果等待完成后，队列还是为空，则认为发生了cancel从而跳出死循环，结束任务；循环中如果发现任务需要执行的时间小于系统时间，则需要执行，那么根据任务的时间片从新计算下次执行时间，若时间片为0代表只执行一次，则直接移除队列即可。

但是是否能实现多线程呢？可以，任何东西是否是多线程完全看个人意愿，多个Timer自然就是多线程的，每个Timer都有自己的线程处理逻辑，当然Timer从这里来看并不是很适合很多任务在短时间内的快速调度，至少不是很适合同一个timer上挂很多任务，在多线程的领域中我们更多是使用多线程中的：

Executors.newScheduledThreadPool

来完成对调度队列中的线程池的处理，内部通过new ScheduledThreadPoolExecutor来创建线程池的Executor的创建，当然也可以调用：

Executors.unconfigurableScheduledExecutorService

方法来创建一个DelegatedScheduledExecutorService其实这个类就是包装了下下scheduleExecutor，也就是这只是一个壳，英文理解就是被委派的意思，被托管的意思。