定时任务原理方案综述 | 京东云技术团队

2023/6/9 11:52:24

编程Tag： 算法定时任务京东云技术业务系统

本文主要是介绍定时任务原理方案综述 | 京东云技术团队，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

本文主要介绍目前存在的定时任务处理解决方案。业务系统中存在众多的任务需要定时或定期执行，并且针对不同的系统架构也需要提供不同的解决方案。京东内部也提供了众多定时任务中间件来支持，总结当前各种定时任务原理，从定时任务基础原理、单机定时任务（单线程、多线程）、分布式定时任务介绍目前主流的定时任务的基本原理组成、优缺点等。希望能帮助读者深入理解定时任务具体的算法和实现方案。

一、背景概述

定时任务，顾名思义，就是指定时间点进行执行相应的任务。业务场景中包括：

每天晚上12点，将当日的销售数据发送给各个VP；
订单下单十分钟未付款将自动取消订单；用户下单后发短信；
定时的清理系统中失效的数据；
心跳检测、session、请求是否timeout。

二、定时任务基础原理

2.1 小顶堆算法

每个节点是对应的定时任务，定时任务的执行顺序通过利用堆化进行排序，循环判断每秒是否堆顶的任务是否应该执行，每次插入任务、删除任务需要重新堆化；

图1 利用小顶堆来获取需要最新执行的任务

为什么用优先队列（小顶堆）而不是有序的数组或者链表？

因为优先队列只需要确保局部有序，它的插入、删除操作的复杂度都是O(log n)；而有序数组的插入和删除复杂度为O(n)；链表的插入复杂度为O(n)，删除复杂度为O(1)。总体而言优先队列性能最好。

2.2 时间轮算法

链表或者数组实现时间轮：

图2 利用链表+数组实现时间轮算法

round时间轮： 时间轮其实就是一种环型的数据结构，可以把它想象成一个时钟，分成了许多格子，每个格子代表一定的时间，在这个格子上用一个链表来保存要执行的超时任务，同时有一个指针一格一格的走，走到那个格子时就执行格子对应的延迟任务。

图3 环形数据结构的round时间轮

2.3 分层时间轮

就是将月、周、天分成不同的时间轮层级，各自的时间轮进行定义：

图4 按时间维度分层的时间轮

三、单机定时任务

3.1 单线程任务调度

3.1.1 无限循环

创建thread，在while中一直执行，通过sleep来达到定时任务的效果。

3.1.2 JDK提供了Timer

Timer位于java.util包下，其内部包含且仅包含一个后台线程（TimeThread）对多个业务任务（TimeTask）进行定时定频率的调度。

图5 JDK中Timer支持的调度方法

每个Timer中包含一个TaskQueue对象，这个队列存储了所有将被调度的task，该队列是一个根据task下一次运行时间排序形成的最小优先队列，该最小优先队列的是一个二叉堆，所以可以在log(n)的时间内完成增加task，删除task等操作，并且可以在常数时间内获得下次运行时间最小的task对象。

原理： TimerTask是按nextExecutionTime进行堆排序的。每次取堆中nextExecutionTime和当前系统时间进行比较，如果当前时间大于nextExecutionTime则执行，如果是单次任务，会将任务从最小堆，移除。否则，更新nextExecutionTime的值。

图6 TimerTask中按照时间的堆排序

任务追赶特性：

schedule在执行的时候，如果Date过了，也就是Date是小于现在时间，那么会立即执行一次，然后从这个执行时间开始每隔间隔时间执行一次；

scheduleAtFixedRate在执行的时候，如果Date过了。还会执行，然后才是每隔一段时间执行。

Timer问题：

任务执行时间长影响其他任务：如果TimerTask抛出未检查的异常，Timer将会产生无法预料的行为。Timer线程并不捕获异常，所以 TimerTask抛出的未检查的异常会终止timer线程。此时，已经被安排但尚未执行的TimerTask永远不会再执行了，新的任务也不能被调度了。
任务异常影响其他任务：Timer里面的任务如果执行时间太长，会独占Timer对象，使得后面的任务无法几时的执行，ScheduledExecutorService不会出现Timer的问题(除非你只搞一个单线程池的任务区)。

3.1.3 DelayQueue

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，DelayQueue 其实就是在每次往优先级队列中添加元素，然后以元素的delay过期值作为排序的因素，以此来达到先过期的元素会拍在队首，每次从队列里取出来都是最先要过期的元素。

delayed是一个具有过期时间的元素
PriorityQueue是一个根据队列里元素某些属性排列先后的顺序队列（核心还是基于小顶堆）

队列中的元素必须实现 Delayed 接口，并重写 getDelay(TimeUnit) 和 compareTo(Delayed) 方法。

CompareTo(Delayed o)：Delayed接口继承了Comparable接口，因此有了这个方法。
getDelay(TimeUnit unit):这个方法返回到激活日期的剩余时间，时间单位由单位参数指定。

队列入队出队方法：

offer()：入队的逻辑综合了PriorityBlockingQueue的平衡二叉堆冒泡插入以及DelayQueue的消费线程唤醒与leader领导权剥夺
take()：出队的逻辑一样综合了PriorityBlockingQueue的平衡二叉堆向下降级以及DelayQueue的Leader-Follower线程等待唤醒模式

在ScheduledExecutorService中推出了DelayedWorkQueue，DelayQueue队列元素必须是实现了Delayed接口的实例，而DelayedWorkQueue存放的是线程运行时代码RunnableScheduledFuture，该延时队列灵活的加入定时任务特有的方法调用。

图7 定时任务中的延时队列类图

leader follower模式：

所有线程会有三种身份中的一种：leader和follower，以及一个工作中的状态：proccesser。它的基本原则就是，永远最多只有一个leader。而所有follower都在等待成为leader。线程池启动时会自动产生一个Leader负责等待网络IO事件，当有一个事件产生时，Leader线程首先通知一个Follower线程将其提拔为新的Leader，然后自己就去干活了，去处理这个网络事件，处理完毕后加入Follower线程等待队列，等待下次成为Leader。这种方法可以增强CPU高速缓存相似性，及消除动态内存分配和线程间的数据交换。

3.1.4 Netty 实现延迟任务-HashedWheel

可以使用 Netty 提供的工具类 HashedWheelTimer 来实现延迟任务。

该工具类采用的是时间轮的原理来实现的，HashedWheelTimer是一个基于hash的环形数组。

图8 HashedWheelTimer实现的时间轮

1. 优点： 能高效的处理大批定时任务，适用于对时效性不高的，可快速执行的，大量这样的“小”任务，能够做到高性能，低消耗。把大批量的调度任务全部都绑定到同一个的调度器上面，使用这一个调度器来进行所有任务的管理（manager），触发（trigger）以及运行（runnable）。能够高效的管理各种延时任务，周期任务，通知任务等等。

2. 缺点： 对内存要求较高，占用较高的内存。时间精度要求不高：时间轮调度器的时间精度可能不是很高，对于精度要求特别高的调度任务可能不太适合。因为时间轮算法的精度取决于，时间段“指针”单元的最小粒度大小，比如时间轮的格子是一秒跳一次，那么调度精度小于一秒的任务就无法被时间轮所调度。

3.1.5 MQ 实现延迟任务

订单在十分钟之内未支付则自动取消。
新创建的店铺，如果在十天内都没有上传过商品，则自动发送消息提醒。
账单在一周内未支付，则自动结算。
用户注册成功后，如果三天内没有登陆则进行短信提醒。
用户发起退款，如果三天内没有得到处理则通知相关运营人员。
预定会议后，需要在预定的时间点前十分钟通知各个与会人员参加会议。

以上这些场景都有一个特点，需要在某个事件发生之后或者之前的指定时间点完成某一项任务。

RabbitMQ 实现延迟队列的方式有两种：

通过消息过期后进入死信交换器，再由交换器转发到延迟消费队列，实现延迟功能；

使用 rabbitmq-delayed-message-exchange 插件实现延迟功能。

同样我们也可以利用京东自研jmq的延时消费来做到以上的场景。

3.2 多线程定时任务

上述方案都是基于单线程的任务调度，如何引入多线程提高延时任务的并发处理能力？

3.2.1 ScheduledExecutorService

JDK1.5之后推出了线程池（ScheduledExecutorService），现阶段定时任务与 JUC 包中的周期性线程池密不可分。JUC 包中的 Executor 架构带来了线程的创建与执行的分离。Executor 的继承者 ExecutorService 下面衍生出了两个重要的实现类，他们分别是：

ThreadPoolExecutor 线程池
ScheduledThreadPoolExecutor 支持周期性任务的线程池

图9 ScheduledExecutorService实现类图

通过 ThreadPoolExecutor 可以实现各式各样的自定义线程池，而 ScheduledThreadPoolExecutor 类则在自定义线程池的基础上增加了周期性执行任务的功能。

最大线程数为Integer.MAX_VALUE；表明线程池内线程数不受限制：即这是因为延迟队列内用数组存放任务,数组初始长度为16,但数组长度会随着任务数的增加而动态扩容,直到数组长度为Integer.MAX_VALUE；既然队列能存放Integer.MAX_VALUE个任务，又因为任务是延迟任务，因此保证任务不被抛弃，最多需要Integer.MAX_VALUE个线程。
空闲线程的等待时间都为0纳秒,表明池内不存在空闲线程,除了核心线程：采用leader-follwer，这里等待的线程都为空闲线程,为了避免过多的线程浪费资源,所以ScheduledThreadPool线程池内更多的存活的是核心线程。
任务等待队列为DelayedWorkQueue。

图10 ScheduledThreadPoolExecutor中的延时队列DelayedWorkQueue

总结： ScheduledThreadPoolExecutor中定义内部类ScheduledFutureTask、DelayedWorkQueue；ScheduledFutureTask记录任务定时信息，DelayedWorkQueue来排序任务定时执行。ScheduledExecutorService自定义了阻塞队列DelayedWorkQueue给线程池使用，它可以根据ScheduledFutureTask的下次执行时间来阻塞take方法，并且新进来的ScheduledFutureTask会根据这个时间来进行排序，最小的最前面。

DelayedWorkQueue：其中DelayedWorkQueue是定义的延时队列，可以看做是一个用延时时间长短作为排序的优先级队列，来实现加入任务，DelayedWorkQueue原理见3.1.3；
ScheduledFutureTask是用作实现Run方法，使得任务能够延迟执行，甚至周期执行，并且记录每个任务进入延时队列的序列号sequenceNumber。任务类ScheduledFutureTask继承FutureTask并扩展了一些属性来记录任务下次执行时间和每次执行间隔。同时重写了run方法重新计算任务下次执行时间，并把任务放到线程池队列中。

run()在处理任务时,会根据任务是否是周期任务走不通的流程：

非周期任务,则采用futureTask类的run()方法,不存储优先队列；
周期任务,首先确定任务的延迟时间,然后把延迟任务插入优先队列；

ScheduledFutureTask的reExecutePeriodic(outerTask)方法：把周期任务插入优先队列的过程。

3.2.2 实现SchedulingConfigurer接口

Spring Boot 提供了一个 SchedulingConfigurer 配置接口。我们通过 ScheduleConfig 配置文件实现 ScheduleConfiguration 接口，并重写 configureTasks() 方法，向 ScheduledTaskRegistrar 注册一个 ThreadPoolTaskScheduler 任务线程对象即可。

图11 任务调度配置接口

3.2.3 Java任务调度框架Quartz

图12 Quartz任务调度框架

Job：定义需要执行的任务，该类是一个接口，只定义了一个方法execute(JobExecutionContext context),在实现类的execute方法中编写所需要定时执行的Job(任务)，Job运行时的信息保存在JobDataMap实例中。
Trigger：负责设置调度策略。该类是一个接口，描述触发job执行的时间触发规则。主要有SimpleTrigger和CronTrigger这两个子类。当且仅当需调度一次或者以固定时间间隔周期执行调度，SimpleTrigger 是最适合的选择；而CronTrigger则可以通过Cron表达式定义出各种复杂时间规则的调度方案：如在周一到周五的15:00 ~ 16:00 执行调度等。
Scheduler：调度器就相当于一个容器，装载着任务和触发器。该类是一个接口。代表一个Quartz的独立运行容器。Trigger和JobDetail可以注册到Scheduler中，两者在Scheduler中拥有各自的组及名称，组及名称是Scheduler查找定位容器中某一对象的依据。
JobDetail:描述Job的实现类及其它相关的静态信息，如：Job名字、描述、关联监听器等信息。Quartz每次调度Job时，都重新创建一个Job实例，它接受一个Job实现类，以便运行时通过newInstance()的反射机制实例化Job。
ThreadPool Scheduler使用一个线程池作为任务运行的基础设施，任务通过共享线程池中的线程提高运行效率。
Listener:Quartz拥有完善的事件和监听体系，大部分组件都拥有事件，如：JobListener监听任务执行前事件、任务执行后事件；TriggerListener监听触发前事件，出发后事件；TriggerListener监听调度开始事件,关闭事件等等，可以注册响应的监听器处理感兴趣的事件。

针对Quartz 重复调度问题：

在通常的情况下，乐观锁能保证不发生重复调度，但是难免发生ABA问题。

配置文件加上：org.quartz.jobStore.acquireTriggersWithinLock=true

3.2.4 使用 Spring-Task

如果使用的是 Spring 或 Spring Boot 框架，Spring 作为一站式框架，为开发者提供了异步执行和任务调度的抽象接口TaskExecutor 和TaskScheduler。

Spring TaskExecutor：主要用来创建线程池用来管理异步定时任务开启的线程。（防止建立线程过多导致资源浪费）。
Spring TaskScheduler：创建定时任务

其中Spring自带的定时任务工具，spring task，可以将它比作一个轻量级的Quartz，而且使用起来很简单，除spring相关的包外不需要额外的包，而且支持注解和配置文件两种：

使用方法：

声明开启 Scheduled：通过注解 @EnableScheduling或者配置文件
任务方法添加@Scheduled注解
将任务的类交结 Spring 管理（例如使用 @Component）

图13 定时任务配置文件和cron表达式

图14 @Scheduled注解拦截类ScheduledAnnotationBeanPostProcessor的实现类图

类图简要介绍：

实现感知接口：EmbeddedValueResolverAware, BeanNameAware, BeanFactoryAware, ApplicationContextAware；
在spring启动完成单例bean注入，利用接口MergedBeanDefinitionPostProcessor完成扫描，利用BeanPostProcessor接口中的postProcessAfterInitialization扫描被@Scheduled注解表示的方法；
利用ScheduledTaskRegistrar作为注册中心，监听到所有bean注入完成之后，然后开始注册全部任务；
自定义任务调度器TaskScheduler，默认使用接口ScheduledExecutorService的实现类ScheduledThreadPoolExecutor定义单线程的线程池。

@Scheduler注解源码：

【Java】
@Target({ElementType.METHOD, ElementType.ANNOTATION_TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Repeatable(Schedules.class)
public @interface Scheduled {
    //这个变量在ScheduledAnnotationBeanPostProcessor中会用作开启cron的判断条件
    String cron() default "";
    //用于设置类cron表达式 来描述人物的运行时机
    String zone() default "";
    //用于设置任务的上一次调用结束后到下一次调用开始前的时间间隔，单位：毫秒
    long fixedDelay() default -1L;
    //参数 fixedDelay 的字符串参数形式，与fixedDelay只能二选一使用
    String fixedDelayString() default "";
    //用于设置任务的两次调用之间的固定的时间间隔，单位：毫秒
    long fixedRate() default -1L;
    //参数 fixedRate 的字符串参数形式，与fixedRate只能二选一使用
    String fixedRateString() default "";
    //用于设置在首次执行fixedDelay或fixedRate任务之前要延迟的毫秒数
    long initialDelay() default -1L;
    //参数 initialDelay 的字符串参数形式，与initialDelay只能二选一使用
    String initialDelayString() default "";
}

项目启动时，在初始化 bean 后，带 @Scheduled 注解的方法会被拦截，然后依次：构建执行线程，解析参数，加入线程池。其中作为拦截注解的类就是ScheduledAnnotationBeanPostProcessor。

ScheduledAnnotationBeanPostProcessor拦截类中核心注解处理方法：

【Java】
protected void processScheduled(Scheduled scheduled, Method method, Object bean) {
        try {
            //校验此注解的方法必领是无参的方法
            //包装返回一个Runnable线程
            Runnable runnable = this.createRunnable(bean, method);
            //定义一个校验注册任务最终是否执行的标识
            boolean processedSchedule = false;
            //裝载任务，定义为4，主要涉及的注解也就3个
            String errorMessage = "Exactly one of the 'cron', 'fixedDelay(String)', or 'fixedRate(String)' attributes is required";
            Set<ScheduledTask> tasks = new LinkedHashSet(4);
            //long和string二者取其一
            long initialDelay = scheduled.initialDelay();
            String initialDelayString = scheduled.initialDelayString();
            if (StringUtils.hasText(initialDelayString)) {
                Assert.isTrue(initialDelay < 0L, "Specify 'initialDelay' or 'initialDelayString', not both");
                if (this.embeddedValueResolver != null) {
                    initialDelayString = this.embeddedValueResolver.resolveStringValue(initialDelayString);
                }


                if (StringUtils.hasLength(initialDelayString)) {
                    try {
                        initialDelay = parseDelayAsLong(initialDelayString);
                    } catch (RuntimeException var24) {
                        throw new IllegalArgumentException("Invalid initialDelayString value "" + initialDelayString + "" - cannot parse into long");
                    }
                }
            }
            // Check cron expression
            // 解析cron
            // cron也可以使用占位符。把它配置子啊配置文件里就成
            String cron = scheduled.cron();
            if (StringUtils.hasText(cron)) {
                String zone = scheduled.zone();
                if (this.embeddedValueResolver != null) {
                    cron = this.embeddedValueResolver.resolveStringValue(cron);
                    zone = this.embeddedValueResolver.resolveStringValue(zone);
                }


                if (StringUtils.hasLength(cron)) {
                    Assert.isTrue(initialDelay == -1L, "'initialDelay' not supported for cron triggers");
                    processedSchedule = true;
                    if (!"-".equals(cron)) {
                        TimeZone timeZone;
                        if (StringUtils.hasText(zone)) {
                            timeZone = StringUtils.parseTimeZoneString(zone);
                        } else {
                            timeZone = TimeZone.getDefault();
                        }
                        //如果配置了cron，那么就可以看作是一个task了，就可以把任务注册进registrar里面
                        tasks.add(this.registrar.scheduleCronTask(new CronTask(runnable, new CronTrigger(cron, timeZone))));
                    }
                }
            }


            if (initialDelay < 0L) {
                initialDelay = 0L;
            }


            long fixedDelay = scheduled.fixedDelay();
            ......
            ......
            ......


            long fixedRate = scheduled.fixedRate();
            ......
            ......
            ......
            //校验注册任务最终是否成功
            Assert.isTrue(processedSchedule, errorMessage);
            //最后把这些任务都放在全局属性里面保存起来
            //getScheduledTasks()方法是会把所有的任务都返回出去
            synchronized(this.scheduledTasks) {
                Set<ScheduledTask> regTasks = (Set)this.scheduledTasks.computeIfAbsent(bean, (key) -> {
                    return new LinkedHashSet(4);
                });
                regTasks.addAll(tasks);
            }
        } catch (IllegalArgumentException var25) {
            throw new IllegalStateException("Encountered invalid @Scheduled method '" + method.getName() + "': " + var25.getMessage());
        }

返回所有的任务，该注册类实现了ScheduledTaskHolder的方法。

返回所有的实现ScheduledTaskHolder的任务：

【Java】
 public Set<ScheduledTask> getScheduledTasks() {
        Set<ScheduledTask> result = new LinkedHashSet();
        synchronized(this.scheduledTasks) {
            Collection<Set<ScheduledTask>> allTasks = this.scheduledTasks.values();
            Iterator var4 = allTasks.iterator();


            while(true) {
                if (!var4.hasNext()) {
                    break;
                }


                Set<ScheduledTask> tasks = (Set)var4.next();
                result.addAll(tasks);
            }
        }


        result.addAll(this.registrar.getScheduledTasks());
        return result;
  }

ScheduledTaskRegistrar

ScheduledTask注册中心，ScheduledTaskHolder接口的一个重要的实现类，维护了程序中所有配置的ScheduledTask。指定TaskScheduler或者ScheduledExecutorService都是ok的，ConcurrentTaskScheduler也是一个TaskScheduler的实现类。它是ScheduledAnnotationBeanPostProcessor的一个重要角色。

指定任务调度taskScheduler：

【Java】
//这里，如果你指定的是一个TaskScheduler、ScheduledExecutorService皆可
    //ConcurrentTaskScheduler也是一个TaskScheduler的实现类
    public void setScheduler(@Nullable Object scheduler) {
        if (scheduler == null) {
            this.taskScheduler = null;
        } else if (scheduler instanceof TaskScheduler) {
            this.taskScheduler = (TaskScheduler)scheduler;
        } else {
            if (!(scheduler instanceof ScheduledExecutorService)) {
                throw new IllegalArgumentException("Unsupported scheduler type: " + scheduler.getClass());
            }


            this.taskScheduler = new ConcurrentTaskScheduler((ScheduledExecutorService)scheduler);
        }
}

重要的一步：如果没有指定taskScheduler ，这里面会new一个newSingleThreadScheduledExecutor，但它并不是一个合理的线程池，所以所有的任务还需要One by One顺序执行，其中默认为：Executors.newSingleThreadScheduledExecutor()，所以肯定单线程串行执行。

触发执行定时任务：

【Java】
protected void scheduleTasks() {
        //这一步非常重要：如果我们没有指定taskScheduler，这里会new一个newSingleThreadScheduledExecutor
        //显然他并不是一个真的线程池，所以他所有的任务还是得一个一个的执行
        //默认是Executors.newSingleThreadScheduledExecutor()，所以必定是串行执行 
        if (this.taskScheduler == null) {
            this.localExecutor = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
            this.taskScheduler = new ConcurrentTaskScheduler(this.localExecutor);
        }
        //下面就是借助TaskScheduler来启动每一个任务
        //并且把启动了的任务最终保存到scheduleTasks中
        Iterator var1;
        if (this.triggerTasks != null) {
            var1 = this.triggerTasks.iterator();




            while(var1.hasNext()) {
                TriggerTask task = (TriggerTask)var1.next();
                this.addScheduledTask(this.scheduleTriggerTask(task));
            }
        }
        ......
        ......
        ......
}

四、分布式定时任务

上面的方法都是关于单机定时任务的实现，如果是分布式环境可以使用 Redis 来实现定时任务。

使用 Redis 实现延迟任务的方法大体可分为两类：通过 ZSet 的方式和键空间通知的方式。

4.1 通过 ZSet 的方式、Redis 的键空间通知