在 Java 應(yīng)用程序中安排重復(fù)性任務(wù)

?java.util.Timer?和?java.util.TimerTask?類（我將二者統(tǒng)稱為Java的定時器框架）使得程序員可以輕松地安排簡單的任務(wù)。（請注意，這些類在 J2ME 中也可用。）在 Java 2 SDK 標(biāo)準(zhǔn)版 1.3 版中引入此框架之前，開發(fā)人員必須編寫自己的調(diào)度程序，這涉及處理線程和?Object.wait()?方法的復(fù)雜性。但是，Java 定時器框架不夠豐富，無法滿足許多應(yīng)用程序的調(diào)度需求。即使是需要每天同時重復(fù)的任務(wù)也不能直接使用?Timer?進(jìn)行調(diào)度，因為夏令時的來來往往會發(fā)生時間跳躍。

本文介紹了一個調(diào)度框架，它是對Timer?和?TimerTask?的推廣，允許更靈活的調(diào)度。該框架非常簡單——它由兩個類和一個接口組成——而且很容易學(xué)習(xí)。如果你習(xí)慣于使用 Java 計時器框架，那么你應(yīng)該能夠很快掌握調(diào)度框架。）

安排一次性任務(wù)

調(diào)度框架構(gòu)建在 Java 計時器框架類之上。因此，在解釋調(diào)度框架的使用方式和實現(xiàn)方式之前，我們將首先了解如何使用這些類進(jìn)行調(diào)度。

想象一個雞蛋計時器，它通過播放聲音告訴您何時過去了數(shù)分鐘（因此你的雞蛋已煮熟）。清單 1 中的代碼構(gòu)成了用 Java 語言編寫的簡單的雞蛋計時器的基礎(chǔ)：

清單 1. EggTimer 類

package org.tiling.scheduling.examples;

import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;

public class EggTimer {
    private final Timer timer = new Timer();
    private final int minutes;

    public EggTimer(int minutes) {
        this.minutes = minutes;
    }

    public void start() {
        timer.schedule(new TimerTask() {
            public void run() {
                playSound();
                timer.cancel();
            }
            private void playSound() {
                System.out.println("Your egg is ready!");
                // Start a new thread to play a sound...
            }
        }, minutes ? 60 ? 1000);
    }

    public static void main(String[] args) {
        EggTimer eggTimer = new EggTimer(2);
        eggTimer.start();
    }

}

一個?EggTimer?實例擁有一個?Timer?實例來提供必要的調(diào)度。當(dāng)使用?start()?方法啟動雞蛋計時器時，它會安排? aTimerTask?在指定的分鐘數(shù)后執(zhí)行。當(dāng)時間到時， 上的?run()?方法?TimerTask?由?Timer?幕后調(diào)用，使其播放聲音。然后應(yīng)用程序在定時器被取消后終止。

安排重復(fù)性任務(wù)

Timer允許通過指定固定的執(zhí)行速率或執(zhí)行之間的固定延遲來安排任務(wù)重復(fù)執(zhí)行。但是，有許多應(yīng)用程序具有更復(fù)雜的調(diào)度要求。例如，每天早上在同一時間響起叫醒電話的鬧鐘不能簡單地使用 86400000 毫秒（24 小時）的固定速率時間表，因為在時鐘前進(jìn)的日子里，鬧鐘會太晚或太早或向后（如果您的時區(qū)使用夏令時）。解決方案是使用日歷算法來計算每日事件的下一次預(yù)定發(fā)生。這正是調(diào)度框架所支持的?？紤]AlarmClock 清單 2 中的實現(xiàn)（請參閱相關(guān)鏈接以下載調(diào)度框架的源代碼，以及包含框架和示例的 JAR 文件）：

清單 2. AlarmClock 類

package org.tiling.scheduling.examples;

import java.text.SimpleDateFormat;

import java.util.Date;

import org.tiling.scheduling.Scheduler;
import org.tiling.scheduling.SchedulerTask;
import org.tiling.scheduling.examples.iterators.DailyIterator;

public class AlarmClock {

    private final Scheduler scheduler = new Scheduler();
    private final SimpleDateFormat dateFormat =
        new SimpleDateFormat("dd MMM yyyy HH:mm:ss.SSS");
    private final int hourOfDay, minute, second;

    public AlarmClock(int hourOfDay, int minute, int second) {
        this.hourOfDay = hourOfDay;
        this.minute = minute;
        this.second = second;
    }

    public void start() {
        scheduler.schedule(new SchedulerTask() {
            public void run() {
                soundAlarm();
            }
            private void soundAlarm() {
                System.out.println("Wake up! " +
                    "It's " + dateFormat.format(new Date()));
                // Start a new thread to sound an alarm...
            }
        }, new DailyIterator(hourOfDay, minute, second));
    }

    public static void main(String[] args) {
        AlarmClock alarmClock = new AlarmClock(7, 0, 0);
        alarmClock.start();
    }
}

請注意代碼與雞蛋計時器應(yīng)用程序的相似程度。AlarmClock實例擁有Scheduler實例（而不是一個Timer）提供必要的調(diào)度。啟動時，鬧鐘會安排 a SchedulerTask（而不是 a TimerTask）來播放鬧鐘。而不是在固定延遲后安排任務(wù)執(zhí)行，鬧鐘使用一個DailyIterator類來描述它的時間表。在這種情況下，它只是在每天早上 7:00 安排任務(wù)。這是典型運行的輸出：

Wake up! It's 24 Aug 2003 07:00:00.023
Wake up! It's 25 Aug 2003 07:00:00.001
Wake up! It's 26 Aug 2003 07:00:00.058
Wake up! It's 27 Aug 2003 07:00:00.015
Wake up! It's 28 Aug 2003 07:00:00.002
...

??DailyIterator?實現(xiàn)?ScheduleIterator??接口，該接口將?SchedulerTask?的計劃執(zhí)行時間指定為一系列?java.util.Date?對象。??然后，?next()?方法?按時間順序迭代對象。返回值?null?會導(dǎo)致任務(wù)被取消（也就是說，它永遠(yuǎn)不會再次運行）——實際上，重新調(diào)度的嘗試將導(dǎo)致拋出異常。清單 3 包含ScheduleIterator接口：

清單 3. ScheduleIterator 接口

package org.tiling.scheduling;

import java.util.Date;

public interface ScheduleIterator {
    public Date next();
}

DailyIterator的?next()?方法返回Date表示每天同一時間（上午 7:00）的對象，如清單 4 所示。因此，如果你調(diào)用?next()?一個新構(gòu)造的DailyIterator類，您將獲得該日期當(dāng)天或之后的當(dāng)天上午 7:00傳入構(gòu)造函數(shù)。隨后的調(diào)用?next()?將在隨后幾天的上午 7:00 返回，并永遠(yuǎn)重復(fù)。要實現(xiàn)此行為，請DailyIterator使用java.util.Calendar實例。構(gòu)造函數(shù)設(shè)置日歷，以便第一次調(diào)用next()返回正確的，Date只需在日歷上添加一天。請注意，該代碼沒有明確提及夏令時修正；它不需要，因為Calendar實現(xiàn)（在這種情況下GregorianCalendar）會處理這個問題。

清單 4. DailyIterator 類

package org.tiling.scheduling.examples.iterators;

import org.tiling.scheduling.ScheduleIterator;

import java.util.Calendar;
import java.util.Date;

/??
 ? A DailyIterator class returns a sequence of dates on subsequent days
 ? representing the same time each day.
 ?/
public class DailyIterator implements ScheduleIterator {
    private final int hourOfDay, minute, second;
    private final Calendar calendar = Calendar.getInstance();

    public DailyIterator(int hourOfDay, int minute, int second) {
        this(hourOfDay, minute, second, new Date());
    }

    public DailyIterator(int hourOfDay, int minute, int second, Date date) {
        this.hourOfDay = hourOfDay;
        this.minute = minute;
        this.second = second;
        calendar.setTime(date);
        calendar.set(Calendar.HOUR_OF_DAY, hourOfDay);
        calendar.set(Calendar.MINUTE, minute);
        calendar.set(Calendar.SECOND, second);
        calendar.set(Calendar.MILLISECOND, 0);
        if (!calendar.getTime().before(date)) {
            calendar.add(Calendar.DATE, ?1);
        }
    }

    public Date next() {
        calendar.add(Calendar.DATE, 1);
        return calendar.getTime();
    }

}

實現(xiàn)調(diào)度框架

在上一節(jié)中，我們學(xué)習(xí)了如何使用調(diào)度框架，并將其與 Java 定時器框架進(jìn)行了比較。接下來，我將向你展示該框架是如何實現(xiàn)的。除了?ScheduleIterator?在顯示界面清單3中，還有另外兩個類-?Scheduler?和?SchedulerTask?-組成的框架。這些類實際上在封面下使用?Timer?和?TimerTask?，因為日程實際上只不過是一個系列的一次性計時器。清單 5 和 6 顯示了這兩個類的源代碼：

清單 5. 調(diào)度程序

package org.tiling.scheduling;

import java.util.Date;
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;

public class Scheduler {

    class SchedulerTimerTask extends TimerTask {
        private SchedulerTask schedulerTask;
        private ScheduleIterator iterator;
        public SchedulerTimerTask(SchedulerTask schedulerTask,
                ScheduleIterator iterator) {
            this.schedulerTask = schedulerTask;
            this.iterator = iterator;
        }
        public void run() {
            schedulerTask.run();
            reschedule(schedulerTask, iterator);
        }
    }

    private final Timer timer = new Timer();

    public Scheduler() {
    }

    public void cancel() {
        timer.cancel();
    }

    public void schedule(SchedulerTask schedulerTask,
            ScheduleIterator iterator) {

        Date time = iterator.next();
        if (time == null) {
            schedulerTask.cancel();
        } else {
            synchronized(schedulerTask.lock) {
                if (schedulerTask.state != SchedulerTask.VIRGIN) {
                  throw new IllegalStateException("Task already 
                  scheduled " + "or cancelled");
                }
                schedulerTask.state = SchedulerTask.SCHEDULED;
                schedulerTask.timerTask =
                    new SchedulerTimerTask(schedulerTask, iterator);
                timer.schedule(schedulerTask.timerTask, time);
            }
        }
    }

    private void reschedule(SchedulerTask schedulerTask,
            ScheduleIterator iterator) {

        Date time = iterator.next();
        if (time == null) {
            schedulerTask.cancel();
        } else {
            synchronized(schedulerTask.lock) {
                if (schedulerTask.state != SchedulerTask.CANCELLED) {
                    schedulerTask.timerTask =
                        new SchedulerTimerTask(schedulerTask, iterator);
                    timer.schedule(schedulerTask.timerTask, time);
                }
            }
        }
    }

}

清單 6 顯示了SchedulerTask該類的源代碼：

清單 6. SchedulerTask

package org.tiling.scheduling;

import java.util.TimerTask;

public abstract class SchedulerTask implements Runnable {

    final Object lock = new Object();

    int state = VIRGIN;
    static final int VIRGIN = 0;
    static final int SCHEDULED = 1;
    static final int CANCELLED = 2;

    TimerTask timerTask;

    protected SchedulerTask() {
    }

    public abstract void run();

    public boolean cancel() {
        synchronized(lock) {
            if (timerTask != null) {
                timerTask.cancel();
            }
            boolean result = (state == SCHEDULED);
            state = CANCELLED;
            return result;
        }
    }

    public long scheduledExecutionTime() {
        synchronized(lock) {
         return timerTask == null ? 0 : timerTask.scheduledExecutionTime();
        }
    }

}

就像雞蛋定時器一樣，調(diào)度器的每個實例都擁有一個計時器的實例，以提供底層調(diào)度。與用于實現(xiàn)雞蛋計時器的單一一次性計時器不同，調(diào)度器將一次性計時器串連在一起，以?ScheduleIterator?指定的時間執(zhí)行?SchedulerTask?類。

考慮調(diào)度器公共的?schedule()?方法——這是調(diào)度的入口點，因為它是客戶端調(diào)用的方法。（唯一的其他公共方法?cancel()?，在?Canceling tasks?中介紹。）所述的第一次執(zhí)行的時間SchedulerTask，通過調(diào)用?ScheduleIterator?接口上的?next()?方法。然后通過調(diào)用底層Timer類上的?one-shot schedule()?方法啟動調(diào)度，一邊在此時執(zhí)行。為一次性執(zhí)行提供的?TimerTask?對象是嵌套?SchedulerTimerTask?類的一個實例，它打包了任務(wù)和迭代器。在分配的時間內(nèi)，?run()?方法在嵌套類上調(diào)用，它使用打包的任務(wù)和迭代器引用來重新安排任務(wù)的下一次執(zhí)行。?reschedule()?方法與?schedule()?方法非常相似，不同之處在于它是私有的，并且對?SchedulerTask?執(zhí)行一組略有不同的狀態(tài)檢查。重新調(diào)度過程無限重復(fù)，為每次調(diào)度的執(zhí)行構(gòu)造一個新的嵌套類實例，直到任務(wù)或調(diào)度程序被取消（或 JVM 關(guān)閉）。

與對應(yīng)的?TimerTask?一樣，?SchedulerTask?在其生命周期中經(jīng)歷一系列狀態(tài)。創(chuàng)建時，它處于一種?VIRGIN?狀態(tài)，這意味著它從未被調(diào)度過。一旦被調(diào)度，它就會轉(zhuǎn)移到一個?SCHEDULED?狀態(tài)，如果任務(wù)被下面描述的方法之一取消，則之后會切換到到?CANCELLED?狀態(tài)。管理正確的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，例如確保非?VIRGIN?任務(wù)不會被調(diào)度兩次，會增加?Scheduler?和?SchedulerTask?類的額外復(fù)雜性。每當(dāng)執(zhí)行可能改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)的操作時，代碼必須在任務(wù)的鎖定對象上同步。

取消任務(wù)

取消計劃任務(wù)的方式有三種。第一種是調(diào)用?SchedulerTask?上的?cancel()?方法。這就像?TimerTask?上調(diào)用?cancel()? ：該任務(wù)將永遠(yuǎn)不會再次運行，盡管如果已經(jīng)運行，它將一直運行到完成。?cancel()方法?的返回值是是一個布爾值，用來指示在尚未被調(diào)用?cancel()?的情況下是否會運行進(jìn)一步的計劃任務(wù)。更準(zhǔn)確地說，如果任務(wù)在調(diào)用?cancel()?之前立即處于?SCHEDULED?狀態(tài)，它就會返回?true?。如果你嘗試重新安排已取消（甚至已安排）的任務(wù)，?Scheduler?則會拋出?IllegalStateException?.

取消計劃任務(wù)的第二種方法是?ScheduleIterator?返回?null?。這只是第一種方式的快捷方式，因為?Scheduler?類調(diào)用??SchedulerTask?類上的cancel()?。如果你希望迭代器（而不是任務(wù)）控制調(diào)度何時停止，則以這種方式取消任務(wù)很有用。

第三種方式是通過調(diào)用它的?cancel()?方法來取消整體的?Scheduler?。這將取消調(diào)度程序的所有任務(wù)，并使其處于不能再調(diào)度更多任務(wù)的狀態(tài)。

擴(kuò)展 cron 工具

調(diào)度框架可以比作 UNIX cron工具，除了調(diào)度時間的規(guī)范是命令式控制而不是聲明式控制。例如，?DailyIterator?類在?AlarmClock?實現(xiàn)中使用與?cron?作業(yè)具有相同的調(diào)度，由?0 7 * * *?開始的?crontab?條目指定。（這些字段分別指定分鐘、小時、月中的某一天、月份和星期幾。）

但是，調(diào)度框架比cron具有更強大的靈活性。 想象一個?HeatingController?應(yīng)用程序在早上打開熱水。我想指示它“在工作日的早上 8:00 和周末早上 9:00 打開熱水”。使用cron，我需要兩個?crontab?條目（?0 8 * * 1,2,3,4,5?和?0 9 * * 6,7?）。通過使用 ?ScheduleIterator?，解決方案更加優(yōu)雅，因為我可以使用組合定義單個迭代器。清單 7 顯示了一種方法：

清單 7. 使用組合定義單個迭代器

    int[] weekdays = new int[] {
        Calendar.MONDAY,
        Calendar.TUESDAY,
        Calendar.WEDNESDAY,
        Calendar.THURSDAY,
        Calendar.FRIDAY
    };
    int[] weekend = new int[] {
        Calendar.SATURDAY,
        Calendar.SUNDAY
    };
    ScheduleIterator i = new CompositeIterator(
        new ScheduleIterator[] {
            new RestrictedDailyIterator(8, 0, 0, weekdays),
            new RestrictedDailyIterator(9, 0, 0, weekend)
        }
    );

一個?RestrictedDailyIterator?類就像?DailyIterator?，除了它被限制在一周的特定日期運行；并且一個?CompositeIterator?類采用一組?ScheduleIterators ?并將日期正確地排序到一個單一的時間表中。

還有很多其他的調(diào)度cron不能產(chǎn)生，但是可以實現(xiàn)?ScheduleIterator?。例如，“每個月的最后一天”描述的日程安排可以使用標(biāo)準(zhǔn) Java 日歷算法（使用Calendar類）來實現(xiàn)，而使用cron. 應(yīng)用程序甚至不必使用Calendar該類。在本文的源代碼中，我提供了一個安全燈控制器示例，該控制器按照“在日落前 15 分鐘開燈”的時間表運行。該實現(xiàn)使用 Calendrical Calculations 軟件包，計算本地日落時間（給定緯度和經(jīng)度）。

實時保證

在編寫使用調(diào)度的應(yīng)用程序時，重要的是要了解框架在及時性方面的承諾。我的任務(wù)會提前還是推遲執(zhí)行？如果是這樣，最大誤差幅度是多少？不幸的是，這些問題沒有簡單的答案。然而，在實踐中，該行為對于一大類應(yīng)用程序來說已經(jīng)足夠好了。下面的討論假設(shè)系統(tǒng)時鐘是正確的（有關(guān)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的信息，請參閱相關(guān)鏈接）。

因為Scheduler將其調(diào)度委托給Timer類，所以Scheduler可以做出的實時保證與Timer. Timer使用該Object.wait(long)方法調(diào)度任務(wù)。當(dāng)前線程等待直到被喚醒，這可能是由于以下原因之一：

1. 所述?notify()?或?notifyAll()?方法被稱為通過另一個線程的對象。
2. 該線程被另一個線程中斷。
3. 該線程在沒有通知的情況下被喚醒。（虛假喚醒）
4. 指定的時間已經(jīng)過去。

第一種可能性不會發(fā)生在Timer類上，因為?wait()?被調(diào)用的對象是私有的。即便如此，Timer對前三個原因的提前喚醒實施了保障措施，從而確保線程在時間過去后喚醒?，F(xiàn)在，文檔注釋?Object.wait(long)?指出它可能會在“或多或少”時間過去后喚醒，因此線程可能會提前喚醒。在這種情況下，Timer發(fā)出另一個?wait()?為?(scheduledExecutionTime - System.currentTimeMillis())?毫秒，從而保證任務(wù)永遠(yuǎn)不能被早期執(zhí)行。

任務(wù)可以延遲執(zhí)行嗎？是的。延遲執(zhí)行的主要原因有兩個：線程調(diào)度和垃圾收集。

Java 語言規(guī)范在線程調(diào)度上故意含糊其辭。這是因為 Java 平臺是通用的，面向廣泛的硬件和相關(guān)操作系統(tǒng)。雖然大多數(shù) JVM 實現(xiàn)都有一個公平的線程調(diào)度程序，但這并不能保證——當(dāng)然，實現(xiàn)有不同的策略來為線程分配處理器時間。因此，當(dāng)一個Timer線程在其分配的時間后喚醒時，它實際執(zhí)行任務(wù)的時間取決于 JVM 的線程調(diào)度策略，以及有多少其他線程在爭用處理器時間。因此，為了減少延遲任務(wù)執(zhí)行，您應(yīng)該最大限度地減少應(yīng)用程序中可運行線程的數(shù)量。值得考慮在單獨的 JVM 中運行調(diào)度程序來實現(xiàn)這一點。

JVM 執(zhí)行垃圾收集 (GC) 所花費的時間對于創(chuàng)建大量對象的大型應(yīng)用程序來說可能很重要。默認(rèn)情況下，當(dāng) GC 發(fā)生時，整個應(yīng)用程序必須等待它完成，這可能需要幾秒鐘或更長時間。（命令行選項-verbose:gc的java應(yīng)用程序啟動器將導(dǎo)致每個 GC 事件都報告到控制臺。）為了盡量減少由于 GC 引起的暫停，這可能會阻礙即時任務(wù)執(zhí)行，您應(yīng)該盡量減少應(yīng)用程序創(chuàng)建的對象數(shù)量。同樣，這有助于在單獨的 JVM 中運行您的調(diào)度代碼。此外，您可以嘗試使用多種優(yōu)化選項來最小化 GC 暫停。例如，增量 GC 試圖將主要收集的成本分散到幾個次要收集上。代價是這會降低 GC 的效率，但對于更及時的調(diào)度來說，這可能是一個可以接受的代價。

什么時候調(diào)用

為了確定任務(wù)是否正在及時運行，如果任務(wù)本身監(jiān)視和記錄任何延遲執(zhí)行的實例會有所幫助。SchedulerTask，如TimerTask，有一個?scheduledExecutionTime()?方法返回最近一次執(zhí)行此任務(wù)的時間。評估?System.currentTimeMillis()? - ?scheduledExecutionTime()?任務(wù)開始時的表達(dá)式run()方法可讓您確定任務(wù)執(zhí)行的延遲時間（以毫秒為單位）?？梢杂涗洿酥狄陨捎嘘P(guān)延遲執(zhí)行分布的統(tǒng)計信息。該值還可用于決定任務(wù)應(yīng)該采取什么操作——例如，如果任務(wù)太晚，它可能什么都不做。如果在遵循上述指南后， 你的應(yīng)用程序需要更嚴(yán)格的及時性保證，請考慮查看 Java 實時規(guī)范。

結(jié)論

在本文中，我介紹了對 Java 計時器框架的簡單增強，它允許非常靈活的調(diào)度策略。新框架本質(zhì)上是對cron——事實上，cron作為一個?ScheduleIterator?接口來實現(xiàn)以提供純 Javacron替代品是有價值的。雖然不提供嚴(yán)格的實時保證，但該框架適用于需要定期調(diào)度任務(wù)的大量通用 Java 應(yīng)用程序。