dubbo-详解海量定时任务实现机制

1. 概念介绍

时间轮是一种高效的、批量管理定时任务的调度模型。时间轮一般会实现成一个环形结构，类似一个时钟，分为很多槽，一个槽代表一个时间间隔，每个槽使用双向链表存储定时任务；指针周期性地跳动，跳动到一个槽位，就执行该槽位的定时任务。
特别注意单层时间轮的容量和精度都是有限的，对于精度要求特别高、时间跨度特别大或是海量定时任务需要调度的场景，通常会使用多级时间轮以及持久化存储与时间轮结合的方案。
Dubbo 的时间轮实现位于 dubbo-common 模块的 org.apache.dubbo.common.timer 包中。

2. dubbo时间轮核心接口

dubbo时间轮的一个概图：

3.根据如上的时间轮结构图讲解核心类

在 Dubbo 中，所有的定时任务都要继承 TimerTask 接口。TimerTask 接口只定义了一个 run() 方法，该方法的入参是一个 Timeout 接口的对象。

TimeTask接口定义：

public interface TimerTask {
    void run(Timeout timeout) throws Exception;
}

Timeout 对象与 TimerTask 对象一一对应。通过 Timeout 对象，我们不仅可以查看定时任务的状态，还可以操作定时任务。TimeOut接口定义：

public interface Timeout {
    Timer timer();
    TimerTask task();
    boolean isExpired();
    boolean isCancelled();
    boolean cancel();
}

Timer 接口定义了定时器的基本行为，其核心是 newTimeout() 方法提交一个定时任务（TimerTask）并返回关联的 Timeout 对象。接口定义为：

public interface Timer {
    Timeout newTimeout(TimerTask task, long delay, TimeUnit unit);
    Set<Timeout> stop();
    boolean isStop();
}

HashedWheelTimeout 是 Timeout 接口的唯一实现，是 HashedWheelTimer 的内部类。HashedWheelTimeout 扮演了两个角色：第一个是时间轮中双向链表的节点，即定时任务 TimerTask 在 HashedWheelTimer 中的容器。第二个是定时任务 TimerTask 提交到 HashedWheelTimer 之后的响应结果，用于在时间轮外部查看和控制定时任务。其类的定义和核心属性的解释如下：

private static final class HashedWheelTimeout implements Timeout {

    /**
     * 指定时任务当前所处状态，可选的有三个，分别是 INIT（0）、CANCELLED（1）和 EXPIRED（2）
     */
    private static final int ST_INIT = 0;
    private static final int ST_CANCELLED = 1;
    private static final int ST_EXPIRED = 2;
    private static final AtomicIntegerFieldUpdater<HashedWheelTimeout> STATE_UPDATER =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(HashedWheelTimeout.class, "state");

    private final HashedWheelTimer timer;
    /**
     * 实际被调度的任务
     */
    private final TimerTask task;
    /**
     * 指定时任务执行的时间。这个时间是在创建 HashedWheelTimeout 时指定的，
     * 计算公式是：currentTime（创建 HashedWheelTimeout 的时间） + delay（任务延迟时间） - startTime（HashedWheelTimer 的启动时间），时间单位为纳秒
     */
    private final long deadline;

    @SuppressWarnings({"unused", "FieldMayBeFinal", "RedundantFieldInitialization"})
    private volatile int state = ST_INIT;

    /**
     * RemainingRounds will be calculated and set by Worker.transferTimeoutsToBuckets() before the
     * HashedWheelTimeout will be added to the correct HashedWheelBucket.
     * 指当前任务剩余的时钟周期数。时间轮所能表示的时间长度是有限的，
     * 在任务到期时间与当前时刻的时间差，超过时间轮单圈能表示的时长，
     * 就出现了套圈的情况，需要该字段值表示剩余的时钟周期
     */
    long remainingRounds;

    /**
     * This will be used to chain timeouts in HashedWheelTimerBucket via a double-linked-list.
     * As only the workerThread will act on it there is no need for synchronization / volatile.
     * 当前定时任务在链表中的前驱节点
     *
     */
    HashedWheelTimeout next;
    /**
     * 当前定时任务在链表中的后继节点
     */
    HashedWheelTimeout prev;

    /**
     * The bucket to which the timeout was added
     */
    HashedWheelBucket bucket;

	// 核心方法省略实现，方法功能方如方法名见名知意
    public Timer timer() {}
    public TimerTask task() {}
	public boolean cancel() {}
	void remove() {}
	public boolean compareAndSetState(int expected, int state) {}
	public int state() {}
	public boolean isCancelled() {}
	public boolean isExpired() {}
	public void expire() {}

}

HashedWheelBucket 是时间轮中的一个槽，时间轮中的槽实际上就是一个用于缓存和管理双向链表的容器，双向链表中的每一个节点就是一个 HashedWheelTimeout 对象，也就关联了一个 TimerTask 定时任务。HashedWheelBucket 持有双向链表的首尾两个节点，分别是 head 和 tail 两个字段，再加上每个 HashedWheelTimeout 节点均持有前驱和后继的引用，这样就可以正向或是逆向遍历整个双向链表了。

HashedWheelTimer 是 Timer 接口的实现，它通过时间轮算法实现了一个定时器。HashedWheelTimer 会根据当前时间轮指针选定对应的槽（HashedWheelBucket），从双向链表的头部开始迭代，对每个定时任务（HashedWheelTimeout）进行计算，属于当前时钟周期则取出运行，不属于则将其剩余的时钟周期数减一操作。时间轮对外提供了一个 newTimeout() 接口用于提交定时任务，在定时任务进入到 timeouts 队列之前会先调用 start() 方法启动时间轮，其中会完成下面两个关键步骤：

确定时间轮的 startTime 字段；
启动 workerThread 线程，开始执行 worker 任务。

然后根据 startTime 计算该定时任务的 deadline 字段，最后才能将定时任务封装成 HashedWheelTimeout 并添加到 timeouts 队列。
时间轮指针一次转动的全流程：

• 时间轮指针转动，时间轮周期开始。

• 清理用户主动取消的定时任务，这些定时任务在用户取消时，会记录到 cancelledTimeouts 队列中。在每次指针转动的时候，时间轮都会清理该队列。

• 将缓存在 timeouts 队列中的定时任务转移到时间轮中对应的槽中。

• 根据当前指针定位对应槽，处理该槽位的双向链表中的定时任务。

• 检测时间轮的状态。如果时间轮处于运行状态，则循环执行上述步骤，不断执行定时任务。如果时间轮处于停止状态，则执行下面的步骤获取到未被执行的定时任务并加入 unprocessedTimeouts 队列：遍历时间轮中每个槽位，并调用 clearTimeouts() 方法；对 timeouts 队列中未被加入槽中循环调用 poll()。

• 最后再次清理 cancelledTimeouts 队列中用户主动取消的定时任务。