ScheduledThreadPool是一個強大的工具，它擴展了線程池的功能，允許任務(wù)的定時執(zhí)行以及周期性重復(fù)執(zhí)行。這種線程池特別適用于需要在未來某個時間點或者按照固定頻率執(zhí)行任務(wù)的場景，如調(diào)度作業(yè)、定時報告生成、周期性數(shù)據(jù)刷新等。 ScheduledThreadPool通過提供一個可伸縮的線程池，使得開發(fā)者能夠輕松安排任務(wù)的延遲執(zhí)行，同時保持線程資源的高效利用。對于需要精確控制任務(wù)執(zhí)行時間的應(yīng)用程序， ScheduledThreadPool提供了一種簡潔而強大的解決方案，使得任務(wù)調(diào)度變得簡單而可靠。掌握 ScheduledThreadPool的使用方法和最佳實踐，對于開發(fā)高效、可靠的并發(fā)應(yīng)用程序至關(guān)重要。

1、ScheduledThreadPool制造背景

ScheduledThreadPoolExecutor 是 Java 并發(fā)包中一個非常實用的工具，它允許按照預(yù)定的計劃執(zhí)行命令或任務(wù)。以下是它的設(shè)計因素：

• 定時任務(wù)執(zhí)行：

在許多應(yīng)用場景中，如電商平臺的促銷活動、系統(tǒng)維護任務(wù)或定期的數(shù)據(jù)備份等，需要在特定時間執(zhí)行任務(wù)。 ScheduledThreadPoolExecutor 提供了靈活的API來支持這些需求。

• 多線程執(zhí)行任務(wù)：

與 Java 中的 Timer 類相比， ScheduledThreadPoolExecutor 使用多線程執(zhí)行任務(wù)，避免了任務(wù)執(zhí)行時間過長導(dǎo)致的任務(wù)相互阻塞的問題。

• 資源優(yōu)化：

ScheduledThreadPoolExecutor 能夠高效地管理和復(fù)用線程資源，避免了大量線程的創(chuàng)建和銷毀開銷，從而提升了系統(tǒng)性能。

• 靈活的任務(wù)調(diào)度：

它支持延遲執(zhí)行和固定頻率執(zhí)行，滿足了各種復(fù)雜場景下的需求，如每隔一段時間自動檢查未支付的訂單并自動取消。

• 周期性和延遲任務(wù)：

ScheduledThreadPoolExecutor 內(nèi)部構(gòu)造了兩個內(nèi)部類 ScheduledFutureTask 和 DelayedWorkQueue，分別用于執(zhí)行周期任務(wù)和存儲周期或延遲任務(wù)。

• 線程池功能：

繼承自 ThreadPoolExecutor， ScheduledThreadPoolExecutor 重用了線程池的功能，為任務(wù)提供延遲或周期執(zhí)行。

• 異常處理：

如果任務(wù)執(zhí)行過程中線程失活， ScheduledThreadPoolExecutor 會新建線程執(zhí)行任務(wù)，確保任務(wù)的連續(xù)性。

• 運行參數(shù)控制：

支持可選的 run-after-shutdown 參數(shù)，在池被關(guān)閉后支持可選的邏輯來決定是否繼續(xù)運行周期或延遲任務(wù)。

2、ScheduledThreadPool設(shè)計結(jié)構(gòu)

用于延遲執(zhí)行或定期執(zhí)行任務(wù)的線程池。 

圖片

• ScheduledThreadPoolExecutor：這是調(diào)度線程池，負(fù)責(zé)管理線程和任務(wù)的執(zhí)行。
• 核心線程數(shù)：線程池中固定的核心線程數(shù)量。
• 最大線程數(shù)：線程池中允許的最大線程數(shù)量。
• 空閑線程存活時間：空閑線程在終止前等待新任務(wù)的最長時間。
• 任務(wù)隊列(DelayedWorkQueue) ：用于存儲待執(zhí)行任務(wù)的延遲隊列。
• 線程工廠：用于創(chuàng)建新線程的工廠。
• 拒絕策略處理器：當(dāng)任務(wù)隊列滿且所有線程都忙碌時，用于處理新提交任務(wù)的策略。
• 任務(wù)提交：任務(wù)提交到線程池執(zhí)行。
• ScheduledFutureTask：表示可以延遲執(zhí)行的異步運算任務(wù)。
• 執(zhí)行任務(wù)：線程從任務(wù)隊列中取出任務(wù)并執(zhí)行。
• 重新調(diào)度：對于周期性任務(wù)，執(zhí)行完畢后重新調(diào)度下一次執(zhí)行。
• 線程空閑或銷毀：任務(wù)執(zhí)行完畢后，線程可能變?yōu)榭臻e狀態(tài)，等待新任務(wù)，或者在線程池關(guān)閉時被銷毀。
• 線程池終止：當(dāng)線程池關(guān)閉時，所有線程將停止執(zhí)行任務(wù)，并等待已提交的任務(wù)完成。

3、ScheduledThreadPool運行流程

圖片

ScheduledThreadPool 的運行流程：

• 創(chuàng)建 ScheduledThreadPoolExecutor 實例：根據(jù)指定的核心線程數(shù)創(chuàng)建 ScheduledThreadPoolExecutor。
• 提交任務(wù)：使用 schedule、 scheduleWithFixedDelay 或 scheduleAtFixedRate 方法提交任務(wù)。
• 任務(wù)封裝為 ScheduledFutureTask：提交的任務(wù)被封裝為 ScheduledFutureTask 對象。
• 任務(wù)存儲于 DelayedWorkQueue： ScheduledFutureTask 對象被存儲在 DelayedWorkQueue 隊列中，根據(jù)預(yù)定執(zhí)行時間排序。
• 到達(dá)預(yù)定時間：等待直到任務(wù)的預(yù)定執(zhí)行時間到達(dá)。
• 任務(wù)執(zhí)行：線程池中的線程執(zhí)行任務(wù)。
• 是否周期性任務(wù)：檢查任務(wù)是否需要周期性執(zhí)行。
• 重新調(diào)度任務(wù)：如果是周期性任務(wù)，重新調(diào)度下一次執(zhí)行。
• 任務(wù)完成：非周期性任務(wù)執(zhí)行完畢后，任務(wù)完成。
• 關(guān)閉線程池：當(dāng)不再需要線程池時，調(diào)用 shutdown 方法關(guān)閉線程池。
• 等待任務(wù)完成：調(diào)用 awaitTermination 方法等待所有已提交的任務(wù)完成。

4、ScheduledThreadPool業(yè)務(wù)實戰(zhàn)

4.1. 定時任務(wù)執(zhí)行

ScheduledThreadPoolExecutor 最常見的應(yīng)用場景就是實現(xiàn)調(diào)度任務(wù)。例如，可以用于執(zhí)行定時的數(shù)據(jù)庫清理任務(wù)，確保數(shù)據(jù)庫性能和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);
scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {
    // 數(shù)據(jù)庫清理邏輯
}, 0, 24, TimeUnit.HOURS); // 每天執(zhí)行一次

4.2. 周期性任務(wù)執(zhí)行

ScheduledThreadPoolExecutor 可以用于執(zhí)行周期性任務(wù)，如定時發(fā)送郵件通知或定時檢查系統(tǒng)狀態(tài)。

ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(1);
service.scheduleAtFixedRate(() -> {
    // 發(fā)送郵件通知邏輯
}, 0, 8, TimeUnit.HOURS); // 每8小時執(zhí)行一次

4.3. 延遲任務(wù)執(zhí)行

在需要延遲執(zhí)行任務(wù)的場景下， ScheduledThreadPoolExecutor 提供了延遲執(zhí)行的能力，例如，延遲發(fā)送用戶注冊后的歡迎郵件。

ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);
executor.schedule(() -> {
    // 發(fā)送歡迎郵件邏輯
}, 10, TimeUnit.MINUTES); // 10分鐘后執(zhí)行

4.4. 固定頻率任務(wù)執(zhí)行

對于需要以固定頻率執(zhí)行的任務(wù)，如每5分鐘檢查一次訂單狀態(tài)， ScheduledThreadPoolExecutor 可以滿足這一需求。

ScheduledExecutorService scheduledExecutor = Executors.newScheduledThreadPool(1);
scheduledExecutor.scheduleAtFixedRate(() -> {
    // 檢查訂單狀態(tài)邏輯
}, 0, 5, TimeUnit.MINUTES); // 每5分鐘執(zhí)行一次

4.5. 綜合案例：每周四定時執(zhí)行任務(wù)

通過 ScheduledThreadPoolExecutor 實現(xiàn)每周四 18:00:00 定時執(zhí)行任務(wù)，例如，定期生成周報。

ScheduledExecutorService pool = Executors.newScheduledThreadPool(1);
LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
LocalDateTime time = now.with(TemporalAdjusters.nextOrSame(DayOfWeek.THURSDAY))
    .withHour(18).withMinute(0).withSecond(0);
long initialDelay = ChronoUnit.MILLIS.between(now, time);
long period = 7 * 24 * 60 * 60 * 1000; // 一周的毫秒數(shù)
pool.scheduleAtFixedRate(() -> {
    // 執(zhí)行周報生成邏輯
}, initialDelay, period, TimeUnit.MILLISECONDS);

5、ScheduledThreadPool調(diào)優(yōu)策略

針對 ScheduledThreadPoolExecutor 的調(diào)優(yōu)策略，以下是一些關(guān)鍵點和最佳實踐：

• 合理配置核心線程數(shù)：

核心線程數(shù)（ corePoolSize）應(yīng)根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和系統(tǒng)的負(fù)載情況來設(shè)置。如果任務(wù)是計算密集型或IO密集型，可能需要不同的配置。通常，對于IO密集型任務(wù)，核心線程數(shù)可以設(shè)置為CPU核心數(shù)的兩倍加一。

• 設(shè)置最大線程數(shù)：

最大線程數(shù)（ maximumPoolSize）應(yīng)該考慮到系統(tǒng)資源的限制，以避免創(chuàng)建過多的線程導(dǎo)致資源耗盡。

• 選擇合適的工作隊列：

ScheduledThreadPoolExecutor 使用 DelayedWorkQueue 作為其工作隊列，這是一個無界隊列，可以容納任意數(shù)量的任務(wù)。如果任務(wù)提交速度超過處理速度，應(yīng)考慮使用有界隊列以避免內(nèi)存溢出。

• 處理線程空閑超時：

keepAliveTime 參數(shù)定義了非核心線程空閑時在終止前的等待時間。合理設(shè)置這個值可以減少資源浪費。

• 優(yōu)雅關(guān)閉線程池：

使用 shutdown() 方法來優(yōu)雅地關(guān)閉線程池，確保所有已提交的任務(wù)都能執(zhí)行完畢。如果需要立即停止，可以使用 shutdownNow()，但這可能會導(dǎo)致正在執(zhí)行的任務(wù)被中斷。

• 監(jiān)控線程池狀態(tài)：

監(jiān)控線程池的活動線程數(shù)、任務(wù)隊列長度等指標(biāo)，可以幫助及時發(fā)現(xiàn)性能瓶頸和異常情況，并進行相應(yīng)的調(diào)優(yōu)。

• 自定義線程工廠：

通過自定義線程工廠（ ThreadFactory），可以為線程設(shè)置有意義的名稱，這有助于在出現(xiàn)問題時快速定位問題線程。

• 合理配置拒絕策略：

當(dāng)任務(wù)隊列滿且達(dá)到最大線程數(shù)時， RejectedExecutionHandler 會介入?？梢愿鶕?jù)業(yè)務(wù)需求選擇合適的拒絕策略，如 AbortPolicy、 CallerRunsPolicy 等。

• 周期性任務(wù)的精確度：

對于需要精確執(zhí)行周期性任務(wù)的場景，應(yīng)考慮任務(wù)執(zhí)行時間和系統(tǒng)負(fù)載對調(diào)度精度的影響。 scheduleAtFixedRate 和 scheduleWithFixedDelay 提供了不同的周期性執(zhí)行策略，應(yīng)根據(jù)具體需求選擇。

6、ScheduledThreadPool適應(yīng)場景

ScheduledThreadPoolExecutor 適用于以下場景：

• 定時任務(wù)調(diào)度：

需要在未來的某個時刻執(zhí)行一次性任務(wù)，例如，定時清理日志文件、定時備份數(shù)據(jù)庫等。 ScheduledThreadPoolExecutor 提供了 schedule 方法來實現(xiàn)這種需求。

• 周期性任務(wù)執(zhí)行：

對于需要定期執(zhí)行的任務(wù)，如每小時統(tǒng)計數(shù)據(jù)、每天發(fā)送報告等，可以使用 scheduleAtFixedRate 或 scheduleWithFixedDelay 方法來安排周期性任務(wù)。

• 后臺服務(wù)任務(wù)：

對于需要在后臺定期執(zhí)行的服務(wù)任務(wù)，如心跳檢測、狀態(tài)監(jiān)控等， ScheduledThreadPoolExecutor 可以保證這些任務(wù)按照預(yù)定的時間間隔執(zhí)行。

• 資源管理需求：

當(dāng)需要限制后臺線程數(shù)量以管理資源時， ScheduledThreadPoolExecutor 允許自定義核心線程數(shù)，從而控制資源消耗。

• 任務(wù)執(zhí)行監(jiān)控：

ScheduledThreadPoolExecutor 支持對任務(wù)執(zhí)行情況進行監(jiān)控，例如，可以監(jiān)控任務(wù)的延遲執(zhí)行情況、執(zhí)行頻率等，這對于性能調(diào)優(yōu)和故障排查非常有用。

• 復(fù)雜的調(diào)度需求：

對于復(fù)雜的調(diào)度需求，如根據(jù)特定條件觸發(fā)任務(wù)執(zhí)行， ScheduledThreadPoolExecutor 提供了靈活的 API 來滿足這些需求。

• 優(yōu)化系統(tǒng)性能：

通過合理配置 ScheduledThreadPoolExecutor，可以減少系統(tǒng)資源的浪費，提高系統(tǒng)的性能和響應(yīng)速度。

• 保持任務(wù)順序執(zhí)行：

在需要保證任務(wù)順序執(zhí)行的場景下， ScheduledThreadPoolExecutor 可以確保任務(wù)按照特定的順序執(zhí)行。

• 處理長時間運行的任務(wù)：

對于可能長時間運行的任務(wù)， ScheduledThreadPoolExecutor 可以避免任務(wù)執(zhí)行時間過長而影響其他任務(wù)的執(zhí)行。

• 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性：

通過使用 ScheduledThreadPoolExecutor，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，尤其是在需要處理大量并發(fā)任務(wù)時。