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Timer的故事
咱们今天也来说说定时器Timer
Timer是什么？
Timer n. [电子] 定时器；计时器；计时员
从翻译来看，我们可以知道Timer的本意是，定时定点。
而JDK中Timer类也的确是这个本意。那么接下来，我们通过JDK中的源码来学习下Timer这个类。
1 private final TaskQueue queue = new TaskQueue();2 private final TimerThread thread = new TimerThread(queue);Timer中有这样两个变量。这两个变量是Timer类中，最重要的三个变量中的两个。一个是Queue，它的作用是作为一个队列，来存放添加到Timer类中的任务，但是他不是一个简单的队列，后续我会通过代码来讲(防盗连接：本文首发自http://www.cnblogs.com/jilodream/ )述他的原理，这里先提前说明下，这个Queue设计的非常巧妙。另外一个是TimerThread，他的作用是Timer的主线程，无论是循环，还是执行都与这个线程密不可分，后续我们也会说到他。
Timer三巨头
接下来是一个final 引用ThreadReaper。
1 private final Object threadReaper = new Object() {2 protected void finalize() throws Throwable {3 synchronized(queue) {4 thread.newTasksMayBeScheduled = false;5 queue.notify(); // In case queue is empty.6 }7 }8 };Reaper翻译为n. 收割者；收割机；收获者；死神,死
这里这个对象可以理解为线程收割者。这个引用在Timer中，没有再次使用，只是纯定义，目的就是在Timer回收之前，优先执行这个引用复写的finalize方法。方法的内容是置变量“是否能添加新任务”设定为false,同时唤醒timerthread线程，他们的作用，我后续会说。说真的，这种写法我觉得并不好，而且诸如effective java,等书也并不推荐这种写法。
1 private final static AtomicInteger nextSerialNumber = new AtomicInteger(0);2 private static int serialNumber() {3 return nextSerialNumber.getAndIncrement();4 }接下来 serialNumber()的方法是，生成一个依次增长的变量。比如第一次调用时，返回0，接着返回1,2,3....。这种方法我觉得要比弄一个i++来用，更安全也更优雅，有兴趣的同学查下API，看看他的使用方法。
接下来是4个构造函数：
1 public Timer() { 2 this("Timer-" + serialNumber()); 3 } 4 public Timer(boolean isDaemon) { 5 this("Timer-" + serialNumber(), isDaemon); 6 } 7 public Timer(String name) { 8 thread.setName(name); 9 thread.start();10 }11 12 public Timer(String name, boolean isDaemon) {13 thread.setName(name);14 thread.setDaemon(isDaemon);15 thread.start();16 }这4个构造函数没什么主要讲的，也就是如果被主动设定线程名字后，主线程timerThread是直接启动的，另外就是是否要设置isDeamon 属性，他的作用是用来设置是否为守护线程的。对于服务器这种大型程序来说，作用不大，一般是脚本程序的话，有必要设定这个值。
接下来是6个很重要的公有方法：
(1)delay毫秒后，执行task任务
1 public void schedule(TimerTask task, long delay) {2 if (delay < 0)3 throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");4 sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, 0);5 }(2)在time时间点，执行task任务
1 public void schedule(TimerTask task, Date time) {2 sched(task, time.getTime(), 0);3 }(3)delay毫秒时间点执行，并且以周期是period毫秒来执行
1 public void schedule(TimerTask task, long delay, long period) {2 if (delay < 0)3 throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");4 if (period <= 0)5 throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");6 sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, -period);7 }(4)firstTime时间点第一次执行该任务，并且每次以period为周期执行
1 public void schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period) {2 if (period <= 0)3 throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");4 sched(task, firstTime.getTime(), -period);5 }(5)delay毫秒后执行任务，然后周期是period
1 public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period) {2 if (delay < 0)3 throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");4 if (period <= 0)5 throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");6 sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, period);7 }(6)firstTime时间点第一次执行该任务，并且每次以period为周期
1 public void scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime,2 long period) {3 if (period <= 0)4 throw new IllegalArgumentException("Non-positive period.");5 sched(task, firstTime.getTime(), period);6 }前两个方法是不反复执行的，没什么讲的，中间两个方法是反复执行，但是名字没有加atFixedRate（以固定频率）的，最后两个加了atFixedRate。3、4和5、的区别是在处理period时，前者传入了相反数（也就是负数）后者传入了正数。（看源代码的时候，我才突然在记忆的深刻想起，java中相反数直接加负号就可以了。然后想起了这种很萌的形式o-=-o;）
1 private void sched(TimerTask task, long time, long period) { 2 if (time < 0) 3 throw new IllegalArgumentException("Illegal execution time."); 4 5 // Constrain value of period sufficiently to prevent numeric 6 // overflow while still being effectively infinitely large. 7 if (Math.abs(period) > (Long.MAX_VALUE >> 1)) 8 period >>= 1; 9 10 synchronized(queue) {11 if (!thread.newTasksMayBeScheduled)12 throw new IllegalStateException("Timer already cancelled.");13 14 synchronized(task.lock) {15 if (task.state != TimerTask.VIRGIN)16 throw new IllegalStateException(17 "Task already scheduled or cancelled");18 task.nextExecutionTime = time;19 task.period = period;20 task.state = TimerTask.SCHEDULED;21 }22 23 queue.add(task);24 if (queue.getMin() == task)25 queue.notify();26 }27 }这个方法的主要作用是将任务添加到任务队列中。并且设置
在方法开始的地方，判断周期是否小于long的最大值，如(防盗连接：本文首发自http://www.cnblogs.com/jilodream/ )果超过的话，那么就对周期除以2，防止后续使用周期的地方，出现运算溢出。
紧接着锁定任务队列，并且开始判断当前主线程是否还计划执行新任务。注意这个变量是在被回收，以及下文任务被取消掉的时候被改变的。接着锁定这个新任务，将下次执行的时间和周期以及状态赋值到这个上。状态标识为“计划中-TimerTask.SCHEDULED”，接下来将任务添加到任务队列中。同时获取任务队列中的最近时间点的任务，如果发现这个任务就是新添加的任务的话，那么就唤醒当前队列上等待wait的线程。
这里需要先说明一下，队列的添加，和获取最近时间点的方法，非常巧妙，会在后续的方法中详细讲述。
接着是取消方法：
1 public void cancel() {2 synchronized(queue) {3 thread.newTasksMayBeScheduled = false;4 queue.clear();5 queue.notify(); // In case queue was already empty.6 }7 }这个方法的作用的是，取消当前的定时器，他的核心内容是前文中回收timer调用的析构的内容是一样的。这几个变量的使用在上一个方法：sched()已经被使用到。也就是设定主线程不允许增加新任务。同时清除队列的所有任务。接着唤醒队列上所有等待的线程。
1 public int purge() { 2 int result = 0; 3 4 synchronized(queue) { 5 for (int i = queue.size(); i > 0; i--) { 6 if (queue.get(i).state == TimerTask.CANCELLED) { 7 queue.quickRemove(i); 8 result++; 9 }10 }11 12 if (result != 0)13 queue.heapify();14 }15 16 return result;17 }purge vt. 净化；清洗；通便
方法名字的意思是清理，清除。
方法的处理逻辑是：锁定任务队列，判断队列中的子任务状态，如果发现任务状态被取消了，那么就在队列中快速移除掉该任务，同时记录移除子任务的个数。如果发现有子任务被移除，最后会把队列再重新堆化。同时返回删除的子任务个数。这个方法(防盗连接：本文首发自http://www.cnblogs.com/jilodream/ )是Timer中的最后一个方法。回顾前文中的所有方法，我们发现Timer中并没有定义删除子任务的方法。而唯一可以删除的形式，就是设定子任务状态，然后调用purge()方法进行一次洗牌。这种做法和JVM GC中标记回收有点异曲同工之处。倘若将回收的方法，公开出来，则Timer内部需要提供很健壮的任务管理机制，防止在高并发的情况下，队列维持的堆不会出现数据错误，或性能问题（想一下如果有大量的移除操作，那么每个移除操作都需要同步队列，然后重新堆化）。
讲完了Timer类之后，我们来讲讲TimerThread。
这个类是定时器的主执行线程，所有的的子任务执行都是由这个线程来操刀的，形象一点就是，他才是幕后的“大boss”
这个类继承自Thread
在类的内部定义了两个全局变量
1 boolean newTasksMayBeScheduled = true;2 private TaskQueue queue;定义的作用，不再赘述，后续方法也会用到。
接下来是TimerThread的构造方法：
1 TimerThread(TaskQueue queue) {2 this.queue = queue;3 }由于TimerThread继承自Thread，因此TimerThread中也肯定有实现run方法：
1 public void run() { 2 try { 3 mainLoop(); 4 } finally { 5 // Someone killed this Thread, behave as if Timer cancelled 6 synchronized(queue) { 7 newTasksMayBeScheduled = false; 8 queue.clear(); // Eliminate obsolete references 9 }10 }11 }在run方法中，会调用另外一个mainLoop()的主循环方法。
并且在调用后(更准确的说应该是捕捉到异常后)，会置允许新增子任务变量为false.同时清空子任务队列。注意run()方法被调用的时机，是在Timer被创建时就启动的。
接下来是主循环方法，这个方法是Timer方法中非常核心的一个方法。同时由于方法比较长，我直接在方法中添加注释，来解释方法。
1 /** 2 * The main timer loop. (See class comment.) 3 */ 4 private void mainLoop() { 5 while (true) {//不断循环获取下一个任务 6 try { 7 TimerTask task; 8 boolean taskFired; 9 synchronized(queue) {//锁定队列10 // Wait for queue to become non-empty11 while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled)//如果队列为空，并且还允许添加子任务的话12 queue.wait();//当前线程（timerThread）进入等待，等待队列中添加对象，或timer被取消时，唤醒13 if (queue.isEmpty())//唤醒之后，如果队列为空，那么就退出主循环了，一般这时候timer都是被取消了14 break; // Queue is empty and will forever remain; die15 16 // Queue nonempty; look at first evt and do the right thing17 long currentTime, executionTime;//可以运行到这里，说明队列中包含子任务，需要开始考虑执行了18 task = queue.getMin();//获取队列中，执行时间最靠前的子任务19 synchronized(task.lock) {20 if (task.state == TimerTask.CANCELLED) {21 queue.removeMin();//如果发现最靠前的子任务已经被取消了，那么从队列中移除掉他，并且进入到下次循环中。22 continue; // No action required, poll queue again23 }24 currentTime = System.currentTimeMillis();//获取当前执行时间25 executionTime = task.nextExecutionTime;//获取子任务的下一次执行时间（其实就是本次要执行的时间点，因为还没有执行）26 if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) {//如果子任务的下次执行时间点，小于当前时间27 if (task.period == 0) { // Non-repeating, remove28 //如果当前任务没有循环周期的话29 queue.removeMin();//队列中移除最前子任务（其实就是当前任务）30 task.state = TimerTask.EXECUTED;//将任务状态设定为已执行31 } else { // Repeating task, reschedule32 //如果当前任务，是需要循环执行的33 queue.rescheduleMin(//队列重新设定最前任务，并且当前子任务的执行时间发生变化，变化规则如下：如果周期是负值（添加子任务采用的无fixed后缀的方法），那么下次执行时间是当前时间点+周期时间。换句话说就是等待时间为（所有）任务执行时间+ 等待周期。而如果周期为正值（添加子任务采用的有fixed后缀的方法）， 代表的是固定频率。则下次执行时间是，上次预计的执行时间+周期时间（注意这个时间点可能还是小于当前时间，仍然会被快速执行到）34 task.period<0 ? currentTime - task.period35 : executionTime + task.period);36 }37 }38 }39 //跳出子任务同步代码块40 if (!taskFired) // Task hasn‘t yet fired; wait41 //如果最前子任务还没到被执行的时间点，那么主线程就等待中间的时间差。注意在前边的方法中有写过，添加子任务等方法是会重新唤醒主线程的42 queue.wait(executionTime - currentTime);43 }44 if (taskFired) // Task fired; run it, holding no locks45 task.run();//如果子任务的时间已经到了，那么就会执行这个子任务的run()方法。这里特别要注意两点：1直接运行run()方法的，说明是主线程全权负责执行，所以出现一个子任务挂了，整个定时器可能搁浅。2这里的标识为使用的值，还是旧值，也就是说如果出现主线程等待，那么他必须要再循环一次，才可以执行子任务。这是由于在等待期间，可能有更新的子任务添加进来，任务队列发生了变化，所以需要重新计算46 } catch(InterruptedException e) {47 }48 }49 }接下来要介绍的类是TaskQueue
这个类的作用非常简单，就是维护一个很好的最小堆。什么是最小堆呢？你可以理解为就是父节点都小于子节点的这样一棵树。而根节点就是下次运行时间最小的任务。下面我们来看看代码，来看看这个Queue内部的设计。
1 private TimerTask[] queue = new TimerTask[128];
这个是维护堆的一个数据结构，长度为128的一个数组。（话说，为什么定义这么大的，比hashMap之类的大多了）
1 /** 2 * The number of tasks in the priority queue. (The tasks are stored in 3 * queue[1] up to queue[size]). 4 */ 5 private int size = 0; 6 7 /** 8 * Returns the number of tasks currently on the queue. 9 */10 int size() {11 return size;12 }接下来是长度size，因为queue变量只是一个堆，具体有多少个可用元素，还是需要其他变量来表示的。
接下来是add方法，我们在Timer类中的sched()方法曾经见过这个方法被调用。
方法的内部逻辑是：
1>如果queue已经被塞满了(之所以加1，是因为数组(防盗连接：本文首发自http://www.cnblogs.com/jilodream/ )的第一个元素是从未被使用的，这样是为了方便使用索引计算出堆中的位置)，那么queue进行一次扩容。
2>然后把新任务放到堆的最后一个元素的位置。（注意size的作用是堆中元素的个数，而不是堆的容积）
3>然后进行一次堆的上推，也就是把新增任务的位置，按照堆的设计，依次上推到属于他的位置。
1 void add(TimerTask task) {2 // Grow backing store if necessary3 if (size + 1 == queue.length)4 queue = Arrays.copyOf(queue, 2*queue.length);5 6 queue[++size] = task;7 fixUp(size);8 }接下来是返回最小堆的根元素，timerTask会调用这个方法，准备执行优先级最高的任务。
1 TimerTask getMin() {2 return queue[1];3 }取出任意的堆中元素，清理定时器废弃任务的时候(purge()),会调用这个方法。
1 TimerTask get(int i) {2 return queue[i];3 }移除最小元素，这个方法会在以下两种情况被调用：
1、在执行周期为0(也就是不会再次执行)的子任务时，在取出该子任务后会调用该方法;
2、在主循环取出最近子任务时，发现该任务当前的装备已经被置为取消了，也会调用该方法，然后再次进行循环取出下一个子任务。
1 void removeMin() {2 queue[1] = queue[size];3 queue[size--] = null; // Drop extra reference to prevent memory leak4 fixDown(1);5 }方法实现主要逻辑是，移除掉min任务，然后把下边的子任务依次往最小堆的根部推。但是采用的方法却非常巧妙：将最后一个元素赋值到根元素的位置上，然后将最后一个元素的位置设置为null，接着将根元素依次向下推送到合适的位置，以保证最小堆的结构仍然正常。
接下来是快速移除方法，将i位置的元素，设置为堆元素的最后一个值，然后将最后的位置设置为null。需要注意的地方如下：
1>这里有涉及到assert关键字，不明白的话，看我的另外一篇博客，点击这里。(防盗连接：本文首发自http://www.cnblogs.com/jilodream/ )
2>同时不知道大家发现没有，在方法的内部没有进行同步保护。可能存在线程不安全的地方，调用这个方法的另外一个方法，是在前文中的purge()方法。在调用之前，已经锁住queue变量，所以线程不安全的担心是多余的。
3>快速移除后，最小堆的结构已经发生变化，在purge()调用后，又重新对queue继续堆化。以保证queue的使用不会再出现问题。最后才解除queue锁定。所以无论怎样，该方法都不会对定时器的使用造成空引用或触发错误。当然前提是包中的其他jdk源码不出现错误的使用。
同时我们也应该反思自己日常工作中的代码，很多时候，可以从整理逻辑上保持代码的安全和简洁，而不是将控制的粒度放到非常小，导致代码的性能和逻辑的可读性非常差。
1 void quickRemove(int i) {2 assert i <= size;3 4 queue[i] = queue[size];5 queue[size--] = null; // Drop extra ref to prevent memory leak6 }这个方法的功能是重行规划queue中根元素的位置，用于执行需要重复运行的子任务时。
1 void rescheduleMin(long newTime) {2 queue[1].nextExecutionTime = newTime;3 fixDown(1);4 }判断queue中，是否还包含有子任务，size的含义前文中提到过。
1 boolean isEmpty() {2 return size==0;3 }清除当前的queue，并且置size为0;
这个方法在两个地方会被调用
1>主循环时捕捉到了异常，注意这个特性，也就是说子任务的run方法中，要自己做好异常的保护，否则一旦出现异常，那么Timer即可会退出。所以这时候是不需要线程保护的。
2>当任务被取消的时候，cancel()会调用该方法。cancel()想要clear掉整个堆,需要首先(防盗连接：本文首发自http://www.cnblogs.com/jilodream/ )抢到锁。而cancel后,重新唤起queue上等待的线程，但是注意主循环上的等待线程，此时都不会直接获取堆中的元素。所以不会出现空引用异常：
有两处wait()，第一处无限等待，被唤醒后会判断queue是否为空，然后才继续执行。第二处等待若干秒后，时间没有到即被唤醒的话，当次循环并不会执行queue，需要至少在等待一个循环。这个在主循环的最后部分有讲到。
1 void clear() {2 // Null out task references to prevent memory leak3 for (int i=1; i<=size; i++)4 queue[i] = null;5 6 size = 0;7 }下边是维持堆化时，非常重要的两个方法：
fixup是将元素从底部往根的位置向上推送
1 private void fixUp(int k) {2 while (k > 1) {3 int j = k >> 1;4 if (queue[j].nextExecutionTime <= queue[k].nextExecutionTime)5 break;6 TimerTask tmp = queue[j]; queue[j] = queue[k]; queue[k] = tmp;7 k = j;8 }9 }fixdown是将根位置的元素，向底部推送
1 private void fixDown(int k) { 2 int j; 3 while ((j = k << 1) <= size && j > 0) { 4 if (j < size && 5 queue[j].nextExecutionTime > queue[j+1].nextExecutionTime) 6 j++; // j indexes smallest kid 7 if (queue[k].nextExecutionTime <= queue[j].nextExecutionTime) 8 break; 9 TimerTask tmp = queue[j]; queue[j] = queue[k]; queue[k] = tmp;10 k = j;11 }12 }这两个方法没什么好讲的，只是需要强调一下，在需要大量整形的乘2或者除以2的运算，都可以通过<<1、>>1的形式来表达。
堆化的方法，i从size的一半的位置，向前取出每个元素，然后依次向下推送元素。因为1/2位置的元素是最小堆叶子节点的父节点（即倒数第二层），依次向前遍历时，每一层的元素都会进行一个fixdown的操作，所以整体来说，耗费的时间非常短暂。
1 void heapify() {2 for (int i = size/2; i >= 1; i--)3 fixDown(i);4 }最后一个类是TimerTask
这个类是一个继承自接口Runnable的抽象类，需要实现类自己去补充run方法。
接下来直接看代码
首先是内部保证同步逻辑的一个锁变量。
1 final Object lock = new Object();
接着是状态变量，初始状态为virgin。只有这个状态的任务才可以添加到queue中，sched(),子任务添加后，会改变子任务的状态，所以子任务不会被反复多次添加到queue中。
1 int state = VIRGIN;
接下来是4个状态变量
1 static final int VIRGIN = 0;//初始化2 static final int SCHEDULED = 1;//任务被添加到queue中即会设置该状态3 static final int EXECUTED = 2;//被执行过，只有不反复循环的子任务会被设置该状态4 static final int CANCELLED = 3;//被取消下次被执行的时间(维持最小堆的判断标准)
1 long nextExecutionTime;
周期，初始是0毫秒，即不被反复执行。
1 long period = 0;
构造方法(抽象类的)
1 protected TimerTask() {2 }抽象run方法
1 public abstract void run();
取消任务时调用的方法，这个方法jdk源码没有调用，是供外部调用的
1 public boolean cancel() {2 synchronized(lock) {3 boolean result = (state == SCHEDULED);4 state = CANCELLED;5 return result;6 }7 }下一次计划执行时间：当前计划执行时间加周期时间。注意这个方法的返回值，可能是一个过去时间。
这个方法jdk源码也没有调用，是供外部调用的。
1 public long scheduledExecutionTime() {2 synchronized(lock) {3 return (period < 0 ? nextExecutionTime + period4 : nextExecutionTime - period);5 }6 }
最后的最后，来谈谈Timer类的定位：
（1）前Timer时代。
Timer是jdk1.3的时候，添加进源码的。这个时候大概是2000年左右。具体java被推出，才仅仅过去5年，所以1.3的主要改进，表现在新增的大量类库上。而在此之前，想拥有一个如Timer般的定时功能，是非常麻烦的，基本都要手动去实现。
（2）后Timer时代
查看了Timer的源代码之后，我们发现Timer在使用中存在这么问题：
1、定时任务是顺序执行的，也就是说后续的任务，一定要等到前边的任务执行完毕后，才会执行，否则将会一直等待。（其实这一点说不上来好还是坏，因为有时候我们可能会希望尽管是定时任务，但是执行时是有顺序完成和开始的，是要保证先后顺序的)
2、对系统时间非常敏感，通过代码我们知道，在每次子任务被取出后（执行run前），都会计算一遍执行时间，同时在判定子任务的执行时间是否已经到来时，都是直接获取到系统时间。倘若系统时间发生了修改，而使用的计划时间仍然是使用上次修改前的时间段时，就会出现一些意想不到的结果。如计划是5秒后执行，主线程wait 5秒钟后，被唤醒，在这5秒钟内，系统时间向后推迟了1天，那么主任务，仍然会执行该子任务（其他的也都会依次迅速执行，因为时间已经过了）。而倘若向前调整一天，那么主线程判断的时间仍然是，调整时间前的时间点，所以需要再等待一天。因此会出(防盗连接：本文首发自http://www.cnblogs.com/jilodream/ )现很多人以为Timer在调整时间后，被挂起，但是查看线程状态，发现还存在的奇怪场景。
3、子任务之间存在依赖。其实子任务之间的依赖关系并不强，无非就是前边的子任务执行完后，后边的子任务才可以开始执行。但是倘若在执行某个子任务时，捕捉到了异常，那么线程会立刻结束执行，后续的子任务都不会执行了，这个问题有时会对我们造成很大的困扰。
为了解决以上种种在jdk1.5中提供了ScheduledExecutorService接口以供开发者使用。
这个接口的实现，主要是通过线程池的形式，解决了上述遇到的问题（线程池也是jdk 1.5时才推出的），很多人因此认为Timer已经过时了，我觉得完全没有必要这样认为，通过自己对比Timer的原理和ScheduledExecutorService的改进之后。我们发现很多地方Timer仍然是有自己存在的必要的，只是占用场景不如ScheduledExecutorService多罢了。关于ScheduledExecutorService的学习，此处不再罗列，有兴趣的同学可以自己学习。
Timer的故事