【Java|多线程与高并发】定时器(Timer)详解

news2024/11/8 23:31:28

文章目录

  • 1. 前言
  • 2. 定时器的基本使用
  • 3. 实现定时器
  • 4. 优化上述的定时器代码
  • 5. 总结

1. 前言

在Java中，定时器Timer类是用于执行定时任务的工具类。它允许你安排一个任务在未来的某个时间点执行，或者以固定的时间间隔重复执行。

在服务器开发中,客户端向服务器发送请求,然后等待服务器响应. 但服务器什么时候返回响应,并不确定. 但也不能让客户端一直等下去, 如果一直死等,就没有意义了. 因此通常客户端会通过定时器设置一个"等待的最长时间".
在这里插入图片描述

2. 定时器的基本使用

Java的标准库库中就给我们提供了一个定时器Timer类

可以看到Timer这个类在很多包里面都有,注意要选择java.util里的

在这里插入图片描述

其中在Timer类中有一个十分重要的方法- schedule()方法
在这里插入图片描述

形参：

  • task：要执行的任务，必须是TimerTask的子类，可以通过继承TimerTask类并重写run()方法来定义具体的任务逻辑。
  • time：指定任务执行的时间，类型为java.util.Date。

当然一个Timer类中也可以执行设置多个任务.

示例:

public class Demo17 {
    public static void main(String[] args) {
        Timer timer = new Timer();
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("1s!");
            }
        },1000);
        
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("2s!");
            }
        },2000);
        
        timer.schedule(new TimerTask() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("3s!");
            }
        },3000);
    }
}

运行结果:

在这里插入图片描述
仔细观察运行结果,会发现这个程序有些问题,为什么程序执行完了,进程没有退出呢?

是因为Timer内部需要一组线程来执行注册任务,这里的线程是前台线程,会影响进程的退出

3. 实现定时器

实现定时器,最主要的就是实现里面的schedule方法

class MyTask{
    // 要执行的任务
    private Runnable runnable;
    // 时间
    private long time;

    public MyTask(Runnable runnable, long time) {
        this.runnable = runnable;
        this.time = System.currentTimeMillis() + time;
    }
}
public class MyTimer {
    public void schedule(Runnable runnable, long time){
        MyTask myTask = new MyTask(runnable,time);
    }
}

System.currentTimeMillis()是Java中的一个静态方法，用于获取当前时间的毫秒数。

描述一个任务,以及多久后执行定时器的第一步完成了

接下来就是如何让这个定时器能够管理多个任务,例如上述示例中输出1s,2s,3s的那个示例一样

关于如何管理这些任务,我们肯定是想让设置时间短的任务先执行,但是在设置任务时,不一定会按照时间从小到大的顺序去进行放入. 这时候就要使用到 优先级队列(PriorityQueue)

但是优先级队列并不是线程安全的, 在多线程环境下使用优先级队列可能会出现问题,我们可以使用阻塞队列
不要忘了,我们可以创建一个带有优先级的阻塞队列
在这里插入图片描述

将任务添加到阻塞队列中即可.

但是优先级队列的对象的类型必须是可比较的. 我们可以让Mytask实现Comparable接口,实现里面的compareTo方法. 比较的规则就是时间,时间小的优先级高.

接下来就要检查队首任务的时间是否到了,时间到了就要执行任务. 可以单独创建一个扫描线程来进行检查.

完整代码:

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;

class MyTask implements Comparable<MyTask>{
    // 要执行的任务
    private Runnable runnable;
    // 时间
    private long time;

    public MyTask(Runnable runnable, long time) {
        this.runnable = runnable;
        this.time = System.currentTimeMillis() + time;
    }

    public Runnable getRunnable() {
        return runnable;
    }

    public long getTime() {
        return time;
    }

    @Override
    public int compareTo(MyTask o) {
        return (int) (this.time - o.time);
    }
}
public class MyTimer {
    private BlockingQueue<MyTask> blockingQueue = new PriorityBlockingQueue<>();

    public MyTimer() {
        Thread t = new Thread(()->{
           while(true){
               try {
                   MyTask myTask = blockingQueue.take();
                   // 当前时间是否大于等于要执行任务的时间
                   if (System.currentTimeMillis() >= myTask.getTime()){
                       // 时间到了 执行任务
                       myTask.getRunnable().run();
                   }else {
                       // 时间没到,再把任务放回阻塞队列中
                       blockingQueue.put(myTask);
                   }
               } catch (InterruptedException e) {
                   throw new RuntimeException(e);
               }
           }
        });
        t.start();
    }

    public void schedule(Runnable runnable, long time) throws InterruptedException {
        MyTask myTask = new MyTask(runnable,time);
        blockingQueue.put(myTask);
    }
}

测试代码:

public class Demo18 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyTimer myTimer = new MyTimer();
        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("2s");
            }
        },2000);

        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("1s");
            }
        },1000);

        myTimer.schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("3s");
            }
        },3000);

    }
}

运行结果:
在这里插入图片描述
结果没有问题.

4. 优化上述的定时器代码

但仔细思考上述代码中还存在一个问题:
在这里插入图片描述
这里的条件是while(true),说明程序会一直进行这里的循环, 这也是"忙等"

"忙等"是指一个线程在等待某个条件满足时，不断地进行无效的循环检查，而不释放CPU资源给其他线程执行。这种方式会浪费CPU资源，并且可能导致性能下降。

针对这个问题,我们可以使用 wait和notify来解决这个问题

通过使用wait和notify,对MyTimer这个类进行优化:

public class MyTimer {
    private BlockingQueue<MyTask> blockingQueue = new PriorityBlockingQueue<>();

    private Object locker = new Object();
    public MyTimer() {
        Thread t = new Thread(()->{
           while(true){
               try {
                   MyTask myTask = blockingQueue.take();
                   // 当前时间是否大于等于要执行任务的时间
                   if (System.currentTimeMillis() >= myTask.getTime()){
                       // 时间到了 执行任务
                       myTask.getRunnable().run();
                   }else {
                       // 时间没到,再把任务放回阻塞队列中
                       blockingQueue.put(myTask);
                       // 进行等待
                       synchronized (locker) {
                           locker.wait(myTask.getTime()-System.currentTimeMillis());
                       }
                   }
               } catch (InterruptedException e) {
                   throw new RuntimeException(e);
               }
           }
        });
        t.start();
    }

    public void schedule(Runnable runnable, long time) throws InterruptedException {
        MyTask myTask = new MyTask(runnable,time);
        blockingQueue.put(myTask);
        synchronized (locker) {
            locker.notify();
        }
    }
}

虽然解决了"忙等"问题,但是又带来了新的问题.

如果扫描线程再取出队首任务(10分钟后要执行)时,线程切换,执行schedule方法,新增任务(5分钟后执行)然后执行notify,但此时并没有通知线程并没有意义,因为扫描线程刚执行完take,并没有执行到wait,然后扫描线程继续执行,进行wait,等待10分钟. 这样就会把刚才新增的5分钟后执行的任务给错过了.

对于上述问题 产生的原因还是因为"锁"的粒度不够大, 这些操作不是原子的,只需放大锁的粒度即可

public class MyTimer {
    private BlockingQueue<MyTask> blockingQueue = new PriorityBlockingQueue<>();

    private Object locker = new Object();
    public MyTimer() {
        Thread t = new Thread(()->{
           while(true){
               try {
                   synchronized (locker) {
                       MyTask myTask = blockingQueue.take();
                       // 当前时间是否大于等于要执行任务的时间
                       if (System.currentTimeMillis() >= myTask.getTime()){
                           // 时间到了 执行任务
                           myTask.getRunnable().run();
                       }else {
                           // 时间没到,再把任务放回阻塞队列中
                           blockingQueue.put(myTask);
                           // 进行等待
                           locker.wait(myTask.getTime()-System.currentTimeMillis());
                       }
                   }
               } catch (InterruptedException e) {
                   throw new RuntimeException(e);
               }
           }
        });
        t.start();
    }

    public void schedule(Runnable runnable, long time) throws InterruptedException {
        MyTask myTask = new MyTask(runnable,time);
        blockingQueue.put(myTask);
        synchronized (locker) {
            locker.notify();
        }
    }
}

在这里插入图片描述
上述为了解决"忙等"问题,使用wait和notify进行优化,而在优化过程因为synchronized加锁的范围不一样,又带来了新的问题. 因此多线程问题很复杂,加锁的范围,线程的切换都会影响程序的执行效果.

5. 总结

文章主要介绍了定时器的基本使用,以及自定义实现定时器,实现一个定时器并不难.但如果要想将定时器实现的更好,也不是一件容易的事. 毕竟多线程环境中,很容易出现各种意想不到的问题.
在这里插入图片描述

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在这里插入图片描述

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