springboot的调度服务与异步服务实操

1.调度服务

1.1.JDK之ScheduledExecutorService

讲到调度任务，我们脑海里马上会想到ScheduledExecutorService。

ScheduledExecutorService是 Java java.util.concurrent 包中的一个接口，它继承自 ExecutorService 接口。它主要用于在给定的延迟后运行任务，或者定期地执行任务。这个接口提供了几种安排任务执行的方法，包括单次执行、定期执行和周期性执行。

以下是 ScheduledExecutorService 提供的一些关键方法：

schedule(Callable<V> callable, long delay, TimeUnit unit)：安排所提交的 Callable 任务在指定的延迟后运行，返回一个 Future，代表任务的结果。
schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)：安排所提交的 Runnable 任务在指定的延迟后运行。
scheduleAtFixedRate(Runnable command, long initialDelay, long period, TimeUnit unit)：安排所提交的 Runnable 任务在指定的初始延迟后首次启动，并且随后按指定的周期重复执行。
scheduleWithFixedDelay(Runnable command, long initialDelay, long delay, TimeUnit unit)：安排所提交的 Runnable 任务在指定的初始延迟后首次启动，并且随后在每次执行结束和下次执行开始之间都存在指定的延迟。

然而，如果采用了sprintboot，我们也可以直接采用springboot提供的调试线程池。这其中有一个最大的优势在于，可以利用spring的cron表达式，采用方法注解的方式，不用引入quartz第三方工具。

1.2.springboot使用调度线程池

我们尝试从源代码的角度，来看看springboot提供的调度线程池是怎么创建的。

首先，启用调度配置，启动类加上@EnableScheduling

springboot的自动配置类一般以AutoConfiguration作为后缀，采用模糊搜索ScheduleAutoConfiguration可以找到目标TaskSchedulingAutoConfiguration。

从截图我们可以看出，我们只需在application.yml加入以下的配置就可以启动了

spring:
  task:
    ## 定时任务(业务上定时任务量不多，2个足矣)
    scheduling:
      ## 线程池核心线程数量
      pool:
        size: 2
      ## 线程名称前线
      threadNamePrefix: common-scheduling-

spring对线程池进行二次封闭，最终调用的还是jdk的ThreadPoolExecutor类，我们在该类的构造函数打个断点，可以看到，pool.size参数已经被传参：

1.3.ThreadPoolExecutor核心参数与执行流程

这里有必要先介绍下 ThreadPoolExecutor类的几个函数参数及基本运行机制

构造函数参数：

核心线程数（Core Pool Size）：线程池中始终保持的线程数量，即使它们处于空闲状态。如果任务数量少于核心线程数，线程池会创建新的线程来处理任务，而不会立即回收这些线程。
最大线程数（Maximum Pool Size）：线程池中允许的最大线程数量。如果任务数量超过了核心线程数但小于最大线程数，且工作队列已满，线程池会创建新的线程来处理任务，直到达到最大线程数。
工作队列（Work Queue）：用于存放待执行任务的阻塞队列。当所有核心线程都在忙碌时，新的任务会被放入工作队列中等待执行。
线程工厂（Thread Factory）：用于创建新线程的工厂。它提供了一种方式来定制线程的创建过程，例如设置线程的名称、优先级、是否为守护线程等。
拒绝策略（Rejected Execution Handler）：当任务无法被线程池及时处理时（即当线程池已满，且工作队列已满），线程池会采用拒绝策略来处理新提交的任务。常见的拒绝策略包括：
- AbortPolicy：抛出 RejectedExecutionException。
- CallerRunsPolicy：由调用者线程运行该任务。
- DiscardPolicy：静默丢弃任务。
- DiscardOldestPolicy：丢弃队列中最老的任务，然后尝试再次提交当前任务。
保持活动时间（Keep-Alive Time）：非核心线程空闲时在终止前等待新任务的最长时间。如果线程池允许核心线程空闲，这个参数也适用于核心线程。
时间单位（Time Unit）：与保持活动时间配合使用的时间单位，例如 TimeUnit.SECONDS。

执行流程：

如果线程池中的线程数量少于核心线程数，即使有空闲线程，线程池也会优先创建新线程来执行新的任务。
如果线程池中的线程数量达到核心线程数，新的任务会被放入工作队列等待执行。
如果工作队列已满且线程数量少于最大线程数，线程池会创建新的非核心线程来执行任务。
如果工作队列已满且线程数量达到最大线程数，新的任务会被拒绝，线程池会采用拒绝策略来处理。

1.4.自定义线程池

由于spingboot对调度任务线程池的参数支持有限，如果想定制自己的参数，可以注入自己的调度线程池，从代码可看出：

@Configuration
public class ThreadPoolConfig {

    @Bean
    public ScheduledExecutorService scheduledExecutorService() {
        return new ScheduledThreadPoolExecutor(2,
                new NamedThreadFactory("common-schedule"),
                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()) {
            @Override
            protected void afterExecute(Runnable r, Throwable t) {
                super.afterExecute(r, t);
            }
        };
    }

}

1.5.spring cron注解

Cron 表达式是一种用于描述定时任务触发时间的字符串表达式。它由多个时间字段组成，每个字段代表定时任务在特定时间单位上的触发条件。

1.5.1.cron表达式语法格式

秒分时日月星期年份

其中，每个时间字段都有对应的取值范围和特殊符号。下面是每个时间字段的详细说明：

1、秒（Seconds）：取值范围为 0~59。例如，`0/5` 表示从0秒开始，每隔 5 秒触发一次，`*` 表示每秒都触发。

2、分钟（Minutes）：取值范围为 0~59。例如，`0/5` 表示从0分钟开始，每隔 5 分钟触发一次，`*` 表示每分钟都触发。

3、小时（Hours）：取值范围为 0~23。例如，`0/2` 表示从0小时开始，每隔 2 小时触发一次，`*` 表示每小时都触发。

4、日期（Day of Month）：取值范围为 1~31。例如，`1,15` 表示每月的 1 日和 15 日触发，`*` 表示每天都触发。

5、月份（Month）：取值范围为 1~12，也可以使用英文缩写 JAN、FEB、MAR 等。例如，`1,6` 表示一月和六月触发，`*` 表示每个月都触发。

6、星期（Day of Week）：取值范围为 1~7，1 表示星期日，2 表示星期一，以此类推，也可以使用英文缩写 SUN、MON、TUE 等。例如，`2-6` 表示星期一到星期五触发，`*` 表示每个星期都触发。

7、年份（Year）：可选字段，表示触发条件的年份。例如，`2023` 表示在 2023 年触发，`*` 表示每年都触发。

除了取值范围，Cron 表达式还支持一些特殊符号，用于指定特定的触发条件，例如：

- 星号（*）：代表所有可能的取值，表示不限制该时间字段的取值范围。
- 问号（?）：仅在日期和星期字段中使用，表示不指定具体的取值，可以任意匹配。
- 斜线（/）：表示间隔触发，例如在分钟字段中，"*/5" 表示每隔 5 分钟触发一次。
- 逗号（,）：用于指定多个取值，例如在小时字段中，"1,3,5" 表示在第 1、3、5 小时触发。
- 减号（-）：用于指定一个范围，例如在月份字段中，"3-6" 表示三月到六月触发。

L : 表示最后，只能出现在星期和每月第几天域，如果在星期域使用1L，意味着在最后的一个星期日触发。

W : 表示有效工作日(周一到周五),只能出现在每月第几日域，系统将在离指定日期的最近的有效工作日触发事件。注意一点，W的最近寻找不会跨过月份

LW : 这两个字符可以连用，表示在某个月最后一个工作日，即最后一个星期五。

# : 用于确定每个月第几个星期几，只能出现在每月第几天域。例如在1#3，表示某月的第三个星期日。

1.5.2.cron表达式示例

作用	表达式
每隔5秒执行一次	/5 * * * ?
每天中午12点执行一次	0 0 12 * * ?
2024年的每天上午10:00执行一次	0 0 10 * * ? 2023
每天下午6点到下午6:59每分钟执行一次	0 * 18 * * ?
每月的最后一个星期五上午10:30执行一次	0 30 10 ? * 6L
每月的第4个星期五上午10:25执行一次	0 25 10 ? * 6#4
每天上午8点，下午1点，4点执行一次	0 0 8,13,16 * * ?

2.异步任务

2.1.springboot配置

在软件开发中，有些任务比较耗时但又无需马上获得结果。一般地，这些任务我们可以采用独立线程池异步执行。如果程序基于springboot环境，我们有现成的工具可以使用。
首先，我们需要在程序启动入口类增加@EnableAsync。
借着，我们尝试从源代码的角度，来看看springboot提供的异步线程池是怎么创建的。
从springboot的命名风格可知，通过模糊搜索TaskAutoConfiguration，可以找到TaskExecutionAutoConfiguration，如下：

从源代码可知，只需在application.yml配置如下参数即可：

spring:    
    execution:
      pool:
        coreSize: 4
        queueCapacity: 64
        maxSize: 8
        ## 禁止空闲线程关闭，保证最少有core个存活线程
        allowCoreThreadTimeout: false
        keepAlive: 300s
      threadNamePrefix: common-async_task-

这些参数跟jdk的ThreadPoolExecutor类的构造参数非常相似，这里不作解析。

2.2.使用异步任务

使用方法，只要在目标方法的签名加上@Async

然而，执行结果却出乎意外（在main主线程上执行，没有异步执行）

熟悉springaop机制的同学，马上知道这是因为异步任务底层是基于动态代理机制实现的。Spring AOP 代理只有在通过 Spring 容器获取 Bean 时才会创建。当在同一个类内部调用一个方法时，调用的是原始对象，而不是代理对象。因此，内部调用不会经过 Spring AOP 代理，也就无法触发异步执行。解决这个问题最简单的方法是用一个新的类来管理异步执行方法。

问题解决

2.3.模拟系统繁忙进行性能测试

我们尝试模拟一些极端情况，系统处理不过来的情况。修改上面的配置，改为

pool:
  coreSize: 1
  queueCapacity: 1
  maxSize: 8

同时，异步执行增加时间延迟来模拟耗时任务

@Component
@Slf4j
class AsyncTaskHandler {

    @Async
    public void busyTask1() {
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException ignored) {
        }
        log.info("----------busyTask1---------");
    }

    @Async
    public void busyTask2() {
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException ignored) {
        }
        log.info("----------busyTask2---------");
    }

}

执行结果会出现报错（线程数已达到最大数量，且任务队列已满，无法添加新任务）

调度任务执行频率是可预见的，有多少个任务，执行频率，开发可知，核心数量，最大数量，队列容量比较好设定。而异步执行频率很大程度是由系统的使用者（用户）决定的，因此这些参数需要根据流量动态修改。

2.4.异步线程池拒绝策略

如果不想把 queueCapacity和maxSize都设置成很大的话，我们可以考虑修改下线程池的拒绝策略。最妥当的方式是，既然异步不了，那就"熔断"成同步，直接在调用者所在的业务线程执行。然而，springboot没有提供相应的配置项。为此，我们只能关闭springboot的自动配置了。

从代码可看出，只要提供一个Executor实例，并且名字叫taskExecutor即可。

话不多说，上代码

@Configuration
public class ThreadPoolConfig {

    private final int core = Runtime.getRuntime().availableProcessors();

    /**
     * springboot 自动注入的异步执行线程池，拒绝策略为丢弃，难以配置maxPoolSize参数
     * @see TaskExecutionAutoConfiguration#taskExecutorBuilder
     */
    @Bean(name = "taskExecutor")
    public ThreadPoolTaskExecutor threadPoolTaskExecutor(TaskExecutionProperties properties) {
        ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
        executor.setCorePoolSize(properties.getPool().getCoreSize());
        executor.setThreadNamePrefix(properties.getThreadNamePrefix());
        executor.setMaxPoolSize(properties.getPool().getMaxSize());
        executor.setQueueCapacity(properties.getPool().getQueueCapacity());
        executor.setKeepAliveSeconds((int) properties.getPool().getKeepAlive().toSeconds());
        executor.setAllowCoreThreadTimeOut(properties.getPool().isAllowCoreThreadTimeout());
        // 超过队列容量，则在业务线程上执行
        executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
        return executor;
    }

}

重新运行程序，可以看到，当任务超过线程池负载的时候，多余的线程会在调用线程上执行，变为同步代码