关于java:SpringBoot定时任务-经典定时任务结构设计时间轮Timing-Wheel案例和实现原理

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Timer 和 ScheduledExecutorService 是 JDK 内置的定时工作计划，而业内还有一个经典的定时工作的设计叫工夫轮 (Timing Wheel), Netty 外部基于工夫轮实现了一个 HashedWheelTimer 来优化百万量级 I / O 超时的检测，它是一个高性能，低消耗的数据结构，它适宜用非准实时，提早的短平快工作，例如心跳检测。本文次要介绍工夫轮(Timing Wheel) 及其应用。@pdai

  • SpringBoot 定时工作 – Netty HashedWheelTimer 形式

    • 常识筹备

      • 什么是工夫轮(Timing Wheel)
      • Netty 的 HashedWheelTimer 要解决什么问题
      • HashedWheelTimer 的应用形式

    • 实现案例

      • Pom 依赖
      • 2 个简略例子

    • 进一步了解

      • HashedWheelTimer 是如何实现的?
      • 什么是多级 Timing Wheel?
    • 示例源码

常识筹备

须要对工夫轮(Timing Wheel)，以及 Netty 的 HashedWheelTimer 要解决什么问题有初步的意识。

什么是工夫轮(Timing Wheel)

工夫轮 (Timing Wheel) 是 George Varghese 和 Tony Lauck 在 1996 年的论文 ’Hashed and Hierarchical Timing Wheels: data structures to efficiently implement a timer facility’ 实现的，它在 Linux 内核中应用宽泛，是 Linux 内核定时器的实现办法和根底之一。

工夫轮 (Timing Wheel) 是一种环形的数据结构，就像一个时钟能够分成很多格子（Tick)，每个格子代表工夫的距离，它指向存储的具体任务（timerTask）的一个链表。

以上述在论文中的图片例子，这里一个轮子蕴含 8 个格子（Tick), 每个 tick 是一秒钟；

工作的增加：如果一个工作要在 17 秒后执行，那么它须要转 2 轮，最终加到 Tick= 1 地位的链表中。

工作的执行：在时钟转 2Round 到 Tick= 1 的地位，开始执行这个地位指向的链表中的这个工作。（# 这里示意残余须要转几轮再执行这个工作）

Netty 的 HashedWheelTimer 要解决什么问题

HashedWheelTimer 是 Netty 依据工夫轮 (Timing Wheel) 开发的工具类，它要解决什么问题呢？这外面有两个要点：提早工作 + 低时效性。@pdai

在 Netty 中的一个典型利用场景是判断某个连贯是否 idle，如果 idle（如客户端因为网络起因导致到服务器的心跳无奈送达），则服务器会被动断开连接，开释资源。判断连贯是否 idle 是通过定时工作实现的，然而 Netty 可能维持数百万级别的长连贯，对每个连贯去定义一个定时工作是不可行的，所以如何晋升 I / O 超时调度的效率呢？

Netty 依据工夫轮 (Timing Wheel) 开发了 HashedWheelTimer 工具类，用来优化 I / O 超时调度 (实质上是提早工作）；之所以采纳工夫轮(Timing Wheel) 的构造还有一个很重要的起因是 I / O 超时这种类型的工作对时效性不须要十分精准。

HashedWheelTimer 的应用形式

在理解工夫轮（Timing Wheel)和 Netty 的 HashedWheelTimer 要解决的问题后，咱们看下 HashedWheelTimer 的应用形式

通过构造函数看主要参数

public HashedWheelTimer(
        ThreadFactory threadFactory,
        long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel, boolean leakDetection,
        long maxPendingTimeouts, Executor taskExecutor) {}

具体参数阐明如下：

  • threadFactory：线程工厂，用于创立工作线程，默认是 Executors.defaultThreadFactory()
  • tickDuration：tick 的周期，即多久 tick 一次
  • unit: tick 周期的单位
  • ticksPerWheel：工夫轮的长度，一圈下来有多少格
  • leakDetection：是否开启内存透露检测，默认是 true
  • maxPendingTimeouts：最多执行的工作数，默认是 -1，即不限度。在高并发量状况下才会设置这个参数。

实现案例

这里展现下 HashedWheelTimer 的根本应用案例。@pdai

Pom 依赖

引入 pom 的依赖

<dependency>
    <groupId>io.netty</groupId>
    <artifactId>netty-all</artifactId>
    <version>4.1.77.Final</version>
</dependency>

2 个简略例子

例子 1：5 秒后执行 TimerTask

@SneakyThrows
public static void simpleHashedWheelTimer() {log.info("init task 1...");
    
    HashedWheelTimer timer = new HashedWheelTimer(1, TimeUnit.SECONDS, 8);

    // add a new timeout
    timer.newTimeout(timeout -> {log.info("running task 1...");
    }, 5, TimeUnit.SECONDS);
}

执行后果如下：

23:32:21.364 [main] INFO tech.pdai.springboot.schedule.timer.netty.HashedWheelTimerTester - init task 1...
...
23:32:27.454 [pool-1-thread-1] INFO tech.pdai.springboot.schedule.timer.netty.HashedWheelTimerTester - running task 1...

例子 2：工作生效后 cancel 并让它从新在 3 秒后执行。

@SneakyThrows
public static void reScheduleHashedWheelTimer() {log.info("init task 2...");

    HashedWheelTimer timer = new HashedWheelTimer(1, TimeUnit.SECONDS, 8);

    Thread.sleep(5000);

    // add a new timeout
    Timeout tm = timer.newTimeout(timeout -> {log.info("running task 2...");
    }, 5, TimeUnit.SECONDS);

    // cancel
    if (!tm.isExpired()) {log.info("cancel task 2...");
        tm.cancel();}

    // reschedule
    timer.newTimeout(tm.task(), 3, TimeUnit.SECONDS);
}
23:28:36.408 [main] INFO tech.pdai.springboot.schedule.timer.netty.HashedWheelTimerTester - init task 2...
23:28:41.412 [main] INFO tech.pdai.springboot.schedule.timer.netty.HashedWheelTimerTester - cancel task 2...
23:28:45.414 [pool-2-thread-1] INFO tech.pdai.springboot.schedule.timer.netty.HashedWheelTimerTester - running task 2...

进一步了解

咱们通过如下问题进一步了解 HashedWheelTimer。@pdai

HashedWheelTimer 是如何实现的?

简略看下 HashedWheelTimer 是如何实现的

  • Worker：worker 工作线程次要负责任务调度触发，单线程运行。
  • HashedWheelBucket：工夫轮下面的格子，外部持有 HashedWheelTimeout 组成的链表构造的头尾节点，多个格子组成的工夫轮造成一圈又一圈的工作环
  • HashedWheelTimeout：往工夫轮外面提交的工作会被封装成 HashedWheelTimeout

构造函数

public HashedWheelTimer(
        ThreadFactory threadFactory,
        long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel, boolean leakDetection,
        long maxPendingTimeouts, Executor taskExecutor) {checkNotNull(threadFactory, "threadFactory");
    checkNotNull(unit, "unit");
    checkPositive(tickDuration, "tickDuration");
    checkPositive(ticksPerWheel, "ticksPerWheel");
    this.taskExecutor = checkNotNull(taskExecutor, "taskExecutor");

    // Normalize ticksPerWheel to power of two and initialize the wheel.
    wheel = createWheel(ticksPerWheel);
    mask = wheel.length - 1;

    // Convert tickDuration to nanos.
    long duration = unit.toNanos(tickDuration);

    // Prevent overflow.
    if (duration >= Long.MAX_VALUE / wheel.length) {
        throw new IllegalArgumentException(String.format(
                "tickDuration: %d (expected: 0 < tickDuration in nanos < %d",
                tickDuration, Long.MAX_VALUE / wheel.length));
    }

    if (duration < MILLISECOND_NANOS) {logger.warn("Configured tickDuration {} smaller than {}, using 1ms.",
                    tickDuration, MILLISECOND_NANOS);
        this.tickDuration = MILLISECOND_NANOS;
    } else {this.tickDuration = duration;}

    workerThread = threadFactory.newThread(worker);

    leak = leakDetection || !workerThread.isDaemon() ? leakDetector.track(this) : null;

    this.maxPendingTimeouts = maxPendingTimeouts;

    if (INSTANCE_COUNTER.incrementAndGet() > INSTANCE_COUNT_LIMIT &&
        WARNED_TOO_MANY_INSTANCES.compareAndSet(false, true)) {reportTooManyInstances();
    }
}

创立 wheel

private static HashedWheelBucket[] createWheel(int ticksPerWheel) {
    //ticksPerWheel may not be greater than 2^30
    checkInRange(ticksPerWheel, 1, 1073741824, "ticksPerWheel");

    ticksPerWheel = normalizeTicksPerWheel(ticksPerWheel);
    HashedWheelBucket[] wheel = new HashedWheelBucket[ticksPerWheel];
    for (int i = 0; i < wheel.length; i ++) {wheel[i] = new HashedWheelBucket();}
    return wheel;
}

private static int normalizeTicksPerWheel(int ticksPerWheel) {
    int normalizedTicksPerWheel = 1;
    while (normalizedTicksPerWheel < ticksPerWheel) {normalizedTicksPerWheel <<= 1;}
    return normalizedTicksPerWheel;
}

工作的增加

@Override
public Timeout newTimeout(TimerTask task, long delay, TimeUnit unit) {checkNotNull(task, "task");
    checkNotNull(unit, "unit");

    long pendingTimeoutsCount = pendingTimeouts.incrementAndGet();

    if (maxPendingTimeouts > 0 && pendingTimeoutsCount > maxPendingTimeouts) {pendingTimeouts.decrementAndGet();
        throw new RejectedExecutionException("Number of pending timeouts ("
            + pendingTimeoutsCount + ") is greater than or equal to maximum allowed pending"
            + "timeouts (" + maxPendingTimeouts + ")");
    }

    start();

    // Add the timeout to the timeout queue which will be processed on the next tick.
    // During processing all the queued HashedWheelTimeouts will be added to the correct HashedWheelBucket.
    long deadline = System.nanoTime() + unit.toNanos(delay) - startTime;

    // Guard against overflow.
    if (delay > 0 && deadline < 0) {deadline = Long.MAX_VALUE;}
    HashedWheelTimeout timeout = new HashedWheelTimeout(this, task, deadline);
    timeouts.add(timeout);
    return timeout;
}

执行办法

/**
    * Starts the background thread explicitly.  The background thread will
    * start automatically on demand even if you did not call this method.
    *
    * @throws IllegalStateException if this timer has been
    *                               {@linkplain #stop() stopped} already
    */
public void start() {switch (WORKER_STATE_UPDATER.get(this)) {
        case WORKER_STATE_INIT:
            if (WORKER_STATE_UPDATER.compareAndSet(this, WORKER_STATE_INIT, WORKER_STATE_STARTED)) {workerThread.start();
            }
            break;
        case WORKER_STATE_STARTED:
            break;
        case WORKER_STATE_SHUTDOWN:
            throw new IllegalStateException("cannot be started once stopped");
        default:
            throw new Error("Invalid WorkerState");
    }

    // Wait until the startTime is initialized by the worker.
    while (startTime == 0) {
        try {startTimeInitialized.await();
        } catch (InterruptedException ignore) {// Ignore - it will be ready very soon.}
    }
}

进行办法

@Override
public Set<Timeout> stop() {if (Thread.currentThread() == workerThread) {
        throw new IllegalStateException(HashedWheelTimer.class.getSimpleName() +
                        ".stop() cannot be called from" +
                        TimerTask.class.getSimpleName());
    }

    if (!WORKER_STATE_UPDATER.compareAndSet(this, WORKER_STATE_STARTED, WORKER_STATE_SHUTDOWN)) {
        // workerState can be 0 or 2 at this moment - let it always be 2.
        if (WORKER_STATE_UPDATER.getAndSet(this, WORKER_STATE_SHUTDOWN) != WORKER_STATE_SHUTDOWN) {INSTANCE_COUNTER.decrementAndGet();
            if (leak != null) {boolean closed = leak.close(this);
                assert closed;
            }
        }

        return Collections.emptySet();}

    try {
        boolean interrupted = false;
        while (workerThread.isAlive()) {workerThread.interrupt();
            try {workerThread.join(100);
            } catch (InterruptedException ignored) {interrupted = true;}
        }

        if (interrupted) {Thread.currentThread().interrupt();}
    } finally {INSTANCE_COUNTER.decrementAndGet();
        if (leak != null) {boolean closed = leak.close(this);
            assert closed;
        }
    }
    return worker.unprocessedTimeouts();}

什么是多级 Timing Wheel?

多级的工夫轮是比拟好了解的，时钟是有小时，分钟，秒的，秒转一圈 (Round) 分钟就转一个格（Tick）, 分钟转一圈 (Round) 小时就转一格（Tick）。

PS：显然 HashedWheelTimer 是一层工夫轮。

示例源码

https://github.com/realpdai/t…

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正文完
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2022-08-04
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