所有類(lèi)型的 Java 應(yīng)用程序一般都需要計(jì)劃重復(fù)執(zhí)行的任務(wù)。企業(yè)應(yīng)用程序需要計(jì)劃每日的日志或者晚間批處理過(guò)程。一個(gè) J2SE 或者 J2ME 日歷應(yīng)用程序需要根據(jù)用戶(hù)的約定計(jì)劃鬧鈴時(shí)間。不過(guò),標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度類(lèi)Timer
和TimerTask
沒(méi)有足夠的靈活性,無(wú)法支持通常需要的計(jì)劃任務(wù)類(lèi)型。在本文中,Java 開(kāi)發(fā)人員 Tom White 向您展示了如何構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單通用的計(jì)劃框架,以用于執(zhí)行任意復(fù)雜的計(jì)劃任務(wù)。
我將把 java.util.Timer
和 java.util.TimerTask
統(tǒng)稱(chēng)為 Java 計(jì)時(shí)器框架,它們使程序員可以很容易地計(jì)劃簡(jiǎn)單的任務(wù)(注意這些類(lèi)也可用于 J2ME 中)。在 Java 2 SDK, Standard Edition, Version 1.3 中引入這個(gè)框架之前,開(kāi)發(fā)人員必須編寫(xiě)自己的調(diào)度程序,這需要花費(fèi)很大精力來(lái)處理線程和復(fù)雜的 Object.wait()
方法。不過(guò),Java 計(jì)時(shí)器框架沒(méi)有足夠的能力來(lái)滿足許多應(yīng)用程序的計(jì)劃要求。甚至一項(xiàng)需要在每天同一時(shí)間重復(fù)執(zhí)行的任務(wù),也不能直接使用 Timer
來(lái)計(jì)劃,因?yàn)樵谙牧顣r(shí)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間跳躍。
本文展示了一個(gè)通用的 Timer
和 TimerTask
計(jì)劃框架,從而允許更靈活的計(jì)劃任務(wù)。這個(gè)框架非常簡(jiǎn)單 —— 它包括兩個(gè)類(lèi)和一個(gè)接口 —— 并且容易掌握。如果您習(xí)慣于使用 Java 定時(shí)器框架,那么您應(yīng)該可以很快地掌握這個(gè)計(jì)劃框架。
計(jì)劃單次任務(wù)
計(jì)劃框架建立在 Java 定時(shí)器框架類(lèi)的基礎(chǔ)之上。因此,在解釋如何使用計(jì)劃框架以及如何實(shí)現(xiàn)它之前,我們將首先看看如何用這些類(lèi)進(jìn)行計(jì)劃。
想像一個(gè)煮蛋計(jì)時(shí)器,在數(shù)分鐘之后(這時(shí)蛋煮好了)它會(huì)發(fā)出聲音提醒您。清單 1 中的代碼構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的煮蛋計(jì)時(shí)器的基本結(jié)構(gòu),它用 Java 語(yǔ)言編寫(xiě):
清單 1. EggTimer 類(lèi)
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EggTimer
實(shí)例擁有一個(gè) Timer
實(shí)例,用于提供必要的計(jì)劃。用 start()
方法啟動(dòng)煮蛋計(jì)時(shí)器后,它就計(jì)劃了一個(gè) TimerTask
,在指定的分鐘數(shù)之后執(zhí)行。時(shí)間到了,Timer
就在后臺(tái)調(diào)用 TimerTask
的 start()
方法,這會(huì)使它發(fā)出聲音。在取消計(jì)時(shí)器后這個(gè)應(yīng)用程序就會(huì)中止。
計(jì)劃重復(fù)執(zhí)行的任務(wù)
通過(guò)指定一個(gè)固定的執(zhí)行頻率或者固定的執(zhí)行時(shí)間間隔,Timer
可以對(duì)重復(fù)執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行計(jì)劃。不過(guò),有許多應(yīng)用程序要求更復(fù)雜的計(jì)劃。例如,每天清晨在同一時(shí)間發(fā)出叫醒鈴聲的鬧鐘不能簡(jiǎn)單地使用固定的計(jì)劃頻率 86400000 毫秒(24 小時(shí)),因?yàn)樵阽姄芸旎蛘邠苈ㄈ绻臅r(shí)區(qū)使用夏令時(shí))的那些天里,叫醒可能過(guò)晚或者過(guò)早。解決方案是使用日歷算法計(jì)算每日事件下一次計(jì)劃發(fā)生的時(shí)間。而這正是計(jì)劃框架所支持的??紤]清單 2 中的 AlarmClock
實(shí)現(xiàn):
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注意這段代碼與煮蛋計(jì)時(shí)器應(yīng)用程序非常相似。AlarmClock
實(shí)例擁有一個(gè) Scheduler
(而不是 Timer
)實(shí)例,用于提供必要的計(jì)劃。啟動(dòng)后,這個(gè)鬧鐘對(duì) SchedulerTask
(而不是 TimerTask
)進(jìn)行調(diào)度用以發(fā)出報(bào)警聲。這個(gè)鬧鐘不是計(jì)劃一個(gè)任務(wù)在固定的延遲時(shí)間后執(zhí)行,而是用 DailyIterator
類(lèi)描述其計(jì)劃。在這里,它只是計(jì)劃任務(wù)在每天上午 7:00 執(zhí)行。下面是一個(gè)正常運(yùn)行情況下的輸出:
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DailyIterator
實(shí)現(xiàn)了 ScheduleIterator
,這是一個(gè)將 SchedulerTask
的計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間指定為一系列 java.util.Date
對(duì)象的接口。然后 next()
方法按時(shí)間先后順序迭代 Date
對(duì)象。返回值 null
會(huì)使任務(wù)取消(即它再也不會(huì)運(yùn)行)—— 這樣的話,試圖再次計(jì)劃將會(huì)拋出一個(gè)異常。清單 3 包含 ScheduleIterator
接口:
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DailyIterator
的 next()
方法返回表示每天同一時(shí)間(上午 7:00)的 Date
對(duì)象,如清單 4 所示。所以,如果對(duì)新構(gòu)建的 next()
類(lèi)調(diào)用 next()
,那么將會(huì)得到傳遞給構(gòu)造函數(shù)的那個(gè)日期當(dāng)天或者后面一天的 7:00 AM。再次調(diào)用 next()
會(huì)返回后一天的 7:00 AM,如此重復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)這種行為,DailyIterator
使用了 java.util.Calendar
實(shí)例。構(gòu)造函數(shù)會(huì)在日歷中加上一天,對(duì)日歷的這種設(shè)置使得第一次調(diào)用 next()
會(huì)返回正確的 Date
。注意代碼沒(méi)有明確地提到夏令時(shí)修正,因?yàn)?Calendar
實(shí)現(xiàn)(在本例中是 GregorianCalendar
)負(fù)責(zé)對(duì)此進(jìn)行處理,所以不需要這樣做。
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實(shí)現(xiàn)計(jì)劃框架
在上一節(jié),我們學(xué)習(xí)了如何使用計(jì)劃框架,并將它與 Java 定時(shí)器框架進(jìn)行了比較。下面,我將向您展示如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)框架。除了 清單 3 中展示的 ScheduleIterator
接口,構(gòu)成這個(gè)框架的還有另外兩個(gè)類(lèi) —— Scheduler
和 SchedulerTask
。這些類(lèi)實(shí)際上在內(nèi)部使用 Timer
和 SchedulerTask
,因?yàn)橛?jì)劃其實(shí)就是一系列的單次定時(shí)器。清單 5 和 6 顯示了這兩個(gè)類(lèi)的源代碼:
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清單 6 顯示了 SchedulerTask
類(lèi)的源代碼:
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就像煮蛋計(jì)時(shí)器,Scheduler
的每一個(gè)實(shí)例都擁有 Timer
的一個(gè)實(shí)例,用于提供底層計(jì)劃。Scheduler
并沒(méi)有像實(shí)現(xiàn)煮蛋計(jì)時(shí)器時(shí)那樣使用一個(gè)單次定時(shí)器,它將一組單次定時(shí)器串接在一起,以便在由 ScheduleIterator
指定的各個(gè)時(shí)間執(zhí)行 SchedulerTask
類(lèi)。
考慮 Scheduler
上的 public schedule()
方法 —— 這是計(jì)劃的入口點(diǎn),因?yàn)樗强蛻?hù)調(diào)用的方法。通過(guò)調(diào)用 ScheduleIterator
接口的 next()
,發(fā)現(xiàn)第一次執(zhí)行 SchedulerTask
的時(shí)間。然后通過(guò)調(diào)用底層 Timer
類(lèi)的單次 schedule()
方法,啟動(dòng)計(jì)劃在這一時(shí)刻執(zhí)行。為單次執(zhí)行提供的 TimerTask
對(duì)象是嵌入的 SchedulerTimerTask
類(lèi)的一個(gè)實(shí)例,它包裝了任務(wù)和迭代器(iterator)。在指定的時(shí)間,調(diào)用嵌入類(lèi)的 run()
方法,它使用包裝的任務(wù)和迭代器引用以便重新計(jì)劃任務(wù)的下一次執(zhí)行。reschedule()
方法與 schedule()
方法非常相似,只不過(guò)它是 private 的,并且執(zhí)行一組稍有不同的 SchedulerTask
狀態(tài)檢查。重新計(jì)劃過(guò)程反復(fù)重復(fù),為每次計(jì)劃執(zhí)行構(gòu)造一個(gè)新的嵌入類(lèi)實(shí)例,直到任務(wù)或者調(diào)度程序被取消(或者 JVM 關(guān)閉)。
類(lèi)似于 TimerTask
,SchedulerTask
在其生命周期中要經(jīng)歷一系列的狀態(tài)。創(chuàng)建后,它處于 VIRGIN
狀態(tài),這表明它從沒(méi)有計(jì)劃過(guò)。計(jì)劃以后,它就變?yōu)?SCHEDULED
狀態(tài),再用下面描述的方法之一取消任務(wù)后,它就變?yōu)?CANCELLED
狀態(tài)。管理正確的狀態(tài)轉(zhuǎn)變 —— 如保證不對(duì)一個(gè)非 VIRGIN
狀態(tài)的任務(wù)進(jìn)行兩次計(jì)劃 —— 增加了 Scheduler
和 SchedulerTask
類(lèi)的復(fù)雜性。在進(jìn)行可能改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)的操作時(shí),代碼必須同步任務(wù)的鎖對(duì)象。
取消任務(wù)
取消計(jì)劃任務(wù)有三種方式。第一種是調(diào)用 SchedulerTask
的 cancel()
方法。這很像調(diào)用 TimerTask
的 cancel()
方法:任務(wù)再也不會(huì)運(yùn)行了,不過(guò)已經(jīng)運(yùn)行的任務(wù)仍會(huì)運(yùn)行完成。 cancel()
方法的返回值是一個(gè)布爾值,表示如果沒(méi)有調(diào)用 cancel()
的話,計(jì)劃的任務(wù)是否還會(huì)運(yùn)行。更準(zhǔn)確地說(shuō),如果任務(wù)在調(diào)用 cancel()
之前是 SCHEDULED
狀態(tài),那么它就返回 true
。如果試圖再次計(jì)劃一個(gè)取消的(甚至是已計(jì)劃的)任務(wù),那么 Scheduler
就會(huì)拋出一個(gè) IllegalStateException
。
取消計(jì)劃任務(wù)的第二種方式是讓 ScheduleIterator
返回 null
。這只是第一種方式的簡(jiǎn)化操作,因?yàn)?Scheduler
類(lèi)調(diào)用 SchedulerTask
類(lèi)的 cancel()
方法。如果您想用迭代器而不是任務(wù)來(lái)控制計(jì)劃停止時(shí)間時(shí),就用得上這種取消任務(wù)的方式了。
第三種方式是通過(guò)調(diào)用其 cancel()
方法取消整個(gè) Scheduler
。這會(huì)取消調(diào)試程序的所有任務(wù),并使它不能再計(jì)劃任何任務(wù)。
擴(kuò)展 cron 實(shí)用程序
可以將計(jì)劃框架比作 UNIX 的 cron
實(shí)用程序,只不過(guò)計(jì)劃次數(shù)的規(guī)定是強(qiáng)制性而不是聲明性的。例如,在 AlarmClock
實(shí)現(xiàn)中使用的 DailyIterator
類(lèi),它的計(jì)劃與 cron
作業(yè)的計(jì)劃相同,都是由以 0 7 * * *
開(kāi)始的 crontab
項(xiàng)指定的(這些字段分別指定分鐘、小時(shí)、日、月和星期)。
不過(guò),計(jì)劃框架比 cron
更靈活。想像一個(gè)在早晨打開(kāi)熱水的 HeatingController
應(yīng)用程序。我想指示它“在每個(gè)工作日上午 8:00 打開(kāi)熱水,在周未上午 9:00 打開(kāi)熱水”。使用 cron
,我需要兩個(gè) crontab
項(xiàng)(0 8 * * 1,2,3,4,5
和 0 9 * * 6,7
)。而使用 ScheduleIterator
的解決方案更簡(jiǎn)潔一些,因?yàn)槲铱梢允褂脧?fù)合(composition)來(lái)定義單一迭代器。清單 7 顯示了其中的一種方法:
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RestrictedDailyIterator
類(lèi)很像 DailyIterator
,只不過(guò)它限制為只在一周的特定日子里運(yùn)行,而一個(gè) CompositeIterator
類(lèi)取得一組 ScheduleIterator
s,并將日期正確排列到單個(gè)計(jì)劃中。
有許多計(jì)劃是 cron
無(wú)法生成的,但是 ScheduleIterator
實(shí)現(xiàn)卻可以。例如,“每個(gè)月的最后一天”描述的計(jì)劃可以用標(biāo)準(zhǔn) Java 日歷算法來(lái)實(shí)現(xiàn)(用 Calendar
類(lèi)),而用 cron
則無(wú)法表達(dá)它。應(yīng)用程序甚至無(wú)需使用 Calendar
類(lèi)。在本文的源代碼中,我加入了一個(gè)安全燈控制器的例子,它按“在日落之前 15 分鐘開(kāi)燈”這一計(jì)劃運(yùn)行。這個(gè)實(shí)現(xiàn)使用了 Calendrical Calculations Software Package ,用于計(jì)算當(dāng)?shù)兀ńo定經(jīng)度和緯度)的日落時(shí)間。
實(shí)時(shí)保證
在編寫(xiě)使用計(jì)劃的應(yīng)用程序時(shí),一定要了解框架在時(shí)間方面有什么保證。我的任務(wù)是提前還是延遲執(zhí)行?如果有提前或者延遲,偏差最大值是多少?不幸的是,對(duì)這些問(wèn)題沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案。不過(guò)在實(shí)際中,它的行為對(duì)于很多應(yīng)用程序已經(jīng)足夠了。下面的討論假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘是正確的(有關(guān)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol)的信息)。
因?yàn)?Scheduler
將計(jì)劃委托給 Timer
類(lèi),Scheduler
可以做出的實(shí)時(shí)保證與 Timer
的一樣。Timer
用 Object.wait(long)
方法計(jì)劃任務(wù)。當(dāng)前線程要等待直到喚醒它,喚醒可能出于以下原因之一:
- 另一個(gè)線程調(diào)用對(duì)象的
notify()
或者notifyAll()
方法。 - 線程被另一個(gè)線程中斷。
- 在沒(méi)有通知的情況下,線程被喚醒(稱(chēng)為 spurious wakeup,Joshua Bloch 的 Effective Java Programming Language Guide 一書(shū)中 Item 50 對(duì)其進(jìn)行了描述 )。
- 規(guī)定的時(shí)間已到。
對(duì)于 Timer
類(lèi)來(lái)說(shuō),第一種可能性是不會(huì)發(fā)生的,因?yàn)閷?duì)其調(diào)用 wait()
的對(duì)象是私有的。即便如此,Timer
實(shí)現(xiàn)仍然針對(duì)前三種提前喚醒的原因進(jìn)行了保護(hù),這樣保證了線程在規(guī)定時(shí)間后才喚醒。目前,Object.wait(long)
的文檔注釋聲明,它會(huì)在規(guī)定的時(shí)間“前后”蘇醒,所以線程有可能提前喚醒。在本例中,Timer
會(huì)讓另一個(gè) wait()
執(zhí)行(scheduledExecutionTime - System.currentTimeMillis()
)毫秒,從而保證任務(wù)永遠(yuǎn)不會(huì)提前執(zhí)行。
任務(wù)是否會(huì)延遲執(zhí)行呢?會(huì)的。延遲執(zhí)行有兩個(gè)主要原因:線程計(jì)劃和垃圾收集。
Java 語(yǔ)言規(guī)范故意沒(méi)有對(duì)線程計(jì)劃做嚴(yán)格的規(guī)定。這是因?yàn)?Java 平臺(tái)是通用的,并針對(duì)于大范圍的硬件及其相關(guān)的操作系統(tǒng)。雖然大多數(shù) JVM 實(shí)現(xiàn)都有公平的線程調(diào)度程序,但是這一點(diǎn)沒(méi)有任何保證 —— 當(dāng)然,各個(gè)實(shí)現(xiàn)都有不同的為線程分配處理器時(shí)間的策略。因此,當(dāng) Timer
線程在分配的時(shí)間后喚醒時(shí),它實(shí)際執(zhí)行其任務(wù)的時(shí)間取決于 JVM 的線程計(jì)劃策略,以及有多少其他線程競(jìng)爭(zhēng)處理器時(shí)間。因此,要減緩任務(wù)的延遲執(zhí)行,應(yīng)該將應(yīng)用程序中可運(yùn)行的線程數(shù)降至最少。為了做到這一點(diǎn),可以考慮在一個(gè)單獨(dú)的 JVM 中運(yùn)行調(diào)度程序。
對(duì)于創(chuàng)建大量對(duì)象的大型應(yīng)用程序,JVM 花在垃圾收集(GC)上的時(shí)間會(huì)非常多。默認(rèn)情況下,進(jìn)行 GC 時(shí),整個(gè)應(yīng)用程序都必須等待它完成,這可能要有幾秒鐘甚至更長(zhǎng)的時(shí)間(Java
應(yīng)用程序啟動(dòng)器的命令行選項(xiàng) -verbose:gc
將導(dǎo)致向控制臺(tái)報(bào)告每一次 GC 事件)。要將這些由 GC 引起的暫停(這可能會(huì)影響快速任務(wù)的執(zhí)行)降至最少,應(yīng)該將應(yīng)用程序創(chuàng)建的對(duì)象的數(shù)目降至最低。同樣,在單獨(dú)的 JVM 中運(yùn)行計(jì)劃代碼是有幫助的。同時(shí),可以試用幾個(gè)微調(diào)選項(xiàng)以盡可能地減少 GC 暫停。例如,增量 GC 會(huì)盡量將主收集的代價(jià)分散到幾個(gè)小的收集上。當(dāng)然這會(huì)降低 GC 的效率,但是這可能是時(shí)間計(jì)劃的一個(gè)可接受的代價(jià)。
我被計(jì)劃到什么時(shí)候?
如果任務(wù)本身能監(jiān)視并記錄所有延遲執(zhí)行的實(shí)例,那么對(duì)于確定任務(wù)是否能按時(shí)運(yùn)行會(huì)很有幫助。SchedulerTask
類(lèi)似于 TimerTask
,有一個(gè) scheduledExecutionTime()
方法,它返回計(jì)劃任務(wù)最近一次執(zhí)行的時(shí)間。在任務(wù)的 run()
方法開(kāi)始時(shí),對(duì)表達(dá)式 System.currentTimeMillis() - scheduledExecutionTime()
進(jìn)行判斷,可以讓您確定任務(wù)延遲了多久執(zhí)行(以毫秒為單位)。可以記錄這個(gè)值,以便生成一個(gè)關(guān)于延遲執(zhí)行的分布統(tǒng)計(jì)??梢杂眠@個(gè)值決定任務(wù)應(yīng)當(dāng)采取什么動(dòng)作 —— 例如,如果任務(wù)太遲了,那么它可能什么也不做。在遵循上述原則的情況下,如果應(yīng)用程序需要更嚴(yán)格的時(shí)間保證,可參考 Java 的實(shí)時(shí)規(guī)范。
結(jié)束語(yǔ)
在本文中,我介紹了 Java 定時(shí)器框架的一個(gè)簡(jiǎn)單增強(qiáng),它使得靈活的計(jì)劃策略成為可能。新的框架實(shí)質(zhì)上是更通用的 cron
—— 事實(shí)上,將 cron
實(shí)現(xiàn)為一個(gè) ScheduleIterator
接口,用以替換單純的 Java cron
,這是非常有用的。雖然沒(méi)有提供嚴(yán)格的實(shí)時(shí)保證,但是許多需要計(jì)劃定期任務(wù)的通用 Java 應(yīng)用程序都可以使用這一框架。