【多线程】详解——模拟设计Timer（结尾附码源）

目录

前言

Timer标准库中用法

Timer模拟实现

一、描述一个任务

二、创建MyTimer类，让MyTimer管理多个任务

四、创建一个扫描线程

五、各类问题及解决办法

模拟定时器代码

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前言

        在服务器开放中，客户端向服务器发送请求，等待服务器响应，但若因为某个故障，导致程序一直无响应，怎么办？这时总不可能让客户端一直都没有响应，一直等下去，很有可能程序就卡死了，所以为了应对此种情况，程序员就设置了一个定时器，若到在定时器规定的时间没有完成任务，会执行某一个动作，响应客户端；

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Timer标准库中用法

        标准库中也有定时器（如下图）

         标准库中定时器这个类里有个schedule方法，就是用来安排在多长时间之后来执行安排好的任务，因此他有两个参数（如下图）

         一个参数是要执行的任务，就是一个Runnable，需要继承TimerTask，重写run方法，从而指定要执行的任务； 另一个参数是等待时间（单位是毫秒），也即是经过多长时间后，执行任务；

        一个定时器中，可以同时安排多个任务，并且执行完任务之后，进程并没有退出，Timer内部需要一组线程来执行任务，这里的线程才是“前台线程”，会影响进程的退出；

如下代码：（安排一个时间表）

    public static void main(String[] args){
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("12:00 唱歌~");
            }
        }, 2000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("12:30 弹钢琴");
            }
        }, 3000);
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("13:00 弹吉他");
            }
        }, 4000);
        System.out.println("开始玩音乐");
    }

执行结果如下：

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Timer模拟实现

一、描述一个任务

        schedule方法的第一个参数便是任务，所以我们需要能够描述一个任务，怎么描述呢？这里的任务需要包含两个信息，一个是要干什么事（Runnable），另一个是要什么时候执行；（如下图）

分析：

        知道了任务和要执行的时间，这样就够了吗？想象一下，刚刚提到，一个定时器可以同时安排多个任务，那么这多个任务必然会涉及到先后发生的问题，那么供大于求的时候也就需要涉及到排序，可是任务是个类，怎么排序呢？比较器——继承Comparable接口，重写compareTo方法；（如下图） 

分析：

        这里由于time是long类型，所以需要强制类型转换，还有一个问题：“这里的return到底是this.time - o.time 还是 o.time - this.time 呢？”这里最好不要背，比较比较抽象，返回规则不是那么直观，所以，你只需要随便写一个，运行程序试一下，这多试几次，不也就知道吗~

二、创建MyTimer类，让MyTimer管理多个任务

        可以用ArrayList吗？刚刚咱提到当供大于求时任务存储需要按序存储，ArrayList显然时无序，不方便找到时间最小的任务，所以这里不难想到使用优先级队列，但由于schedule时有可能在多线程中调用的，并且优先级队列并不是线程安全的，所以可以使用优先级阻塞队列（BlockingQueue）来实现；

四、创建一个扫描线程

        从队列中取元素，可以用一个“扫描线程”来不停的检查队首元素，检查时间是否到了，若时间到了，则取出队首元素，执行任务，若时间没到，则将队首元素放回；（如下图）

 分析：

        由于是阻塞队列，所以因该先取出任务，才能够判断时间是否已经到了，若时间还没到，就把任务继续放回队列

五、各类问题及解决办法

存在问题分析一：“忙等”

        观察代码，不难发现当时间还没到的时候，队列会循环的将队首元素取出，然后放回，这个循环就是在忙等，CPU并没有空闲出来，因此这里的等待也就变的毫无意义；

        注意这里不可以用sleep()，假设当前时间为9点，任务时间是10点，那么你将设置 sleep 的时间为一个小时，这样合理吗？看似合理，但在多线程的情况下，很有可能会有新的任务出现，若新的任务时间为9点半，那么新的任务就需要执行sleep到10点，那么就会导致新的任务无法在9点半的时候执行！

解决办法：

        使用wait()就可以很好的解决上述问题；如下图

存在问题分析二：“notify()空唤醒”

       假设当前时间为9点，而当前任务执行的时间为11点，试想如果schedule在t1线程刚执行完take，还没有到wait的时候又新增了一个任务，这个任务的执行时间为10点，这会发生什么？

        首先notify会在t1线程还没有wait的时候先唤醒一次，就相当于啥也没做，但其实notify即使什么线程都没唤醒，并不会存在什么问题，但是严重的问题在后面！当扫描线程继续往下执行，发现时间还没到，就将刚刚take出来的任务又放回了阻塞队列，然后就进行了wait等待，这以等待便是2个小时，这意味着，刚才新来的任务需要在10点的时候执行，却被错过了！

解决办法：

        刚才出现问题的原因实际上就是因为notify在take和wait之间执行的，现在只需要把扫描线程中的锁范围扩大，保证take和wait之间这段操作的原子性，这样，就可以避免notify在take和wait之间执行；

        来分析一下具体过程，9点的时候来了一个任务，需要在11点执行，扫描线程会先拿到锁，然后take，（这时将一个新的任务放入了队列，这个任务的执行时间为10点），接着实现中间逻辑，发现没到时间，就将take出的元素放入队列（此时他已经不是队首元素了），最后到wait；在这个过程中，schedule线程会一直阻塞等待锁，当扫描线程执行了wait，释放了锁，这个时候需要在10点开始执行的任务才拿到锁，执行notify唤醒了正在wait的线程，于是，继续循环取出队首元素，而此时，取出的队首元素便是要在10点执行的那个任务；（如下图）

这样写，就已经基本没问题了；

最后可以思考这样一个问题：若这样写（如下图），会存在什么问题？

 问题分析：“死锁”

        假设当我new了一个刚刚写好的MyTimer，那么此时就会初始化并调用MyTimer构造方法，构造方法中会创建一个线程t1，并开始线程，那么就会执行run方法，此时线程t1拿到锁，程序进入run方法，接着进行take操作，但是阻塞队列中没有元素，因此阻塞队列就会阻塞等待，直到有任务放入队列中，此时，来了一个任务，通过myTimer.schedule(//任务...，//时间...)，此时进入schedule方法，但是由于刚刚线程t1已经拿到锁，schedule也会阻塞等待，所以此时schedule无法将任务put到队列中，这时t1在阻塞等待，schedule也在阻塞等待，就出现了死锁；

        所以一定要把put操作放在所外面!

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模拟定时器代码

//任务
class MyTask implements Comparable{
    //将要执行的任务
    private Runnable runnable;
    //多久后执行任务
    private long time;
    public MyTask(Runnable runnable, long time){
        this.runnable = runnable;
        this.time = time + System.currentTimeMillis();
    }
    public Runnable getRunnable() {
        return runnable;
    }
    public long getTime() {
        return time;
    }
    public int compareTo(MyTask o) {
        return (int)(this.time - o.time);
    }
}
//计时器
class MyTimer {
    //优先级阻塞队列来存放任务，保证时间最小的先出队
    private BlockingQueue queue = new PriorityBlockingQueue<>();
    private Object locker = new Object();
    public MyTimer() {
        //创建一个线程，不断来扫描下一个任务
            Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(true){
                    synchronized(locker) {
                        try {
                            //取出队首元素
                            MyTask task = queue.take();
                            //获取当前时间
                            long nowTime = System.currentTimeMillis();
                            //若到时了就执行任务，若没到时就阻塞等待
                            if(nowTime >= task.getTime()){
                                task.getRunnable().run();
                            }else{
                                //先将取出的元素放回
                                queue.put(task);
                                locker.wait(task.getTime() - nowTime);
                            }
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        });
            t1.start();
    }
    //安排
    public void schedule(Runnable runnable, long time) throws InterruptedException {
        queue.put(new MyTask(runnable, time));
        synchronized(locker) {
            locker.notify();
        }
    }
}
//测试
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyTimer myTimer = new MyTimer();
        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("执行任务1");
            }
        }, 1000);
        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("执行任务2");
            }
        },2000);
        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("执行任务3");
            }
        },3000);
        System.out.println("开始执行任务");
    }
}

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