任务调度之时间轮实现-京东云开发者社区

# 任务调度之时间轮实现

## 前言

在生活中太阳的东升西落，鸟类的南飞北归，四级的轮换，每天的上下班，海水的潮汐，每月的房租车贷等等，如果用程序员的视角看，这就是一个个的定时任务，在日常的开发工作中也有很多的定时任务场景：

1. 数仓系统凌晨进行的数据同步
2. 订单12小时未支付的状态校验
3. rpc调用超时时间的校验
4. 缓存数据失效时间的延长
5. 定时开启的促销活动
6. ……

假如现在有一个任务需要3s后执行，你会如何实现？

简单点，直接一个线程的休眠，thread.sleep(3000),一行代码就能达到目的，但是性能嘛……，由于每个任务都需要一个单独的线程，当系统中存在大量任务，

## 任务调度

假如，现在有一个任务需要3s后执行，你会如何实现呢？

简单点，直接一个休眠，让线程sleep 3s，不就达到目的了吗？但是性能嘛……，由于每个任务都需要一个单独的线程，在系统中存在大量任务时，这种方案的消耗是极其巨大的，那么如何实现高效的调度呢？大佬们低头看了一眼手表，一个算法出现了

## 时间轮的数据结构

![](https://s3.cn-north-1.jdcloud-oss.com/shendengbucket1/2023-06-27-20-18APiGaAEkHjqSFEB.jpg)

如图所示，这就是时间轮的一个基础结构，一个存储了定时任务的环形队列，可以理解为一个时间钟，队列的每个节点称为时间槽，每个槽位又使用列表存储着需要执行的定时任务。和生活中的钟表运行机制一样，每隔固定的单位时间，就会从一个槽位跳到下一个槽位，就像秒针跳动了一次，再取出当前槽位的任务进行执行。假如固定单位时间为1S，当前槽位位2，如果需要插入一个3S后的任务，就会在槽位5的的列表里加上当前任务。等指针运行到第五个槽位时，取出任务执行就可以了。

时间轮的最大优势是在时间复杂度上的优势，一个任务简单的生命周期：

1. 创建任务，插入到数据结构中。
2. 查询任务，找到满足条件的任务
3. 执行任务。
4. 任务归档，从任务调度的列表中删出。

其中第三步的执行时间是固定的，所以1，2，4这三部就的时间复杂度就决定了整个任务调度流程的复杂度，而时间轮是链式存储结构，所以在增删和查询时，时间复杂度都是0（1），其他常见的任务调度算法例如最小堆和红黑树以及跳表。

最小堆是一颗完全二叉树而且子节点的值总是大于等于父节点的值，所以在插入时候需要判断父节点的关系，它的时间添加操作时间复杂度是O(logn),在任务执行时，只需要判断最顶节点就行，所以它的查询时间复杂度时哦O（1）。

根据红黑树的特性已经被归纳法证明它的增加的时间复杂度是O（logn）,查找最小节点的时间复杂度位O（h）。

跳表的的本质是实现二分查找法的有序链表，但是他有多个层级，和红黑树的高度值相似，它的时间复杂度也是O（logn）

## 高级时间轮

如上图所示，如果一个刻度代表1S，那么一个周期就是1分钟，但是如果我一个任务是在3分钟后执行呢，如果是在一个12小时后执行呢？

当然如果是单纯的增加环形链表的长度也是可以的，直接扩大到3600*24，一天一个周期，直接放进来。但是还有更好的办法。

### 带轮次标记的任务

任务执行轮次的计算公式：（（任务执行时间-当前时间）/固定单位时间）%槽位数量

根据槽位计算公式可以算出当前任务需要插入执行的轮次，我在任务上面加一个字段round，当每次执行到该槽位时，就遍历该槽位的任务列表，每个任务的round-1，取出来round=0的任务执行就行。

```java
for(Task task:taskList){
  int round= task.getRound();
   round=(round-1);
   task.setRound(round);
   if(round==0){
     doTask(task);
   }
}
```

如果任务间隔不是很大，看起来也是不错的一种解决方式。

但是工作中有很多任务，延迟执行的时间是很久以后的，例如延保履约服务成功之后会有一个7天自动完成的定时任务，甚至有一些几年后才会执行的任务，如果都用round来处理的话，那这个round将会变的非常大的一个数字，也会在任务列表中插入很多当前不需要执行的任务，如果每次都执行上面的逻辑，显然会浪费大量的资源。

### 多层时间轮

![](https://s3.cn-north-1.jdcloud-oss.com/shendengbucket1/2023-06-27-20-19hMQkSqPYKpZMtmY.jpg)

多层时间轮的核心思想是：

就上上图的水表，有很多小的表盘，但是每个表盘的刻度其实是不一样，又或者手表里的时分秒或者日历上的年月日。

针对时间复杂度的问题：不做遍历计算round,只要到了当前槽位，就把任务列表的所有任务拿出来执行。

针对空间复杂度的问题：分层，每个层级的时间轮刻度不一样，多个时间轮协调工作。

![](https://s3.cn-north-1.jdcloud-oss.com/shendengbucket1/2023-06-27-20-21uN37NP216nR0MMrek.jpg)

如上图所示，第一次时间轮，每个刻度是1ms,一轮是20ms,第二个层时间轮的刻度是20ms,一轮就是400ms,第三层的刻度是400ms,一轮就是8000ms,每层的周期就等于 20ms *2的n次方。这要使用多层级时间轮就可以很容易把任务区分开来。每当高层次时间轮到达当前节点，就把任务降级到低层级的时间轮上。对于400ms的时间轮来说，小于1ms和小于399ms的任务都是过期任务，只要不大于400ms，都认为是过期任务。

代码实现的话，往上也有很多，最近比较火热的POWER-JOB的分布式调度框架就是才有的时间轮算法，粘贴下核心代码大家看下：

1.首先定义了一个任务接口

```
public interface TimerTask extends Runnable {
}

```

2.调度中的任务对象

```java
public interface TimerFuture {

/**
     * 获取实际要执行的任务
     * @return
     */
    TimerTask getTask();

/**
     * 取消任务
     * @return
     */
    boolean cancel();

/**
     * 任务是否取消
     * @return
     */
    boolean isCancelled();

/**
     * 任务是否完成
     * @return
     */
    boolean isDone();
}
```

3.调度器接口

```java
public interface Timer {

/**
     * 调度定时任务
     */
    TimerFuture schedule(TimerTask task, long delay, TimeUnit unit);

/**
     * 停止所有调度任务
     */
    Set<TimerTask> stop();
}

```

4.时间轮的实现

```java
public class HashedWheelTimer implements Timer {

private final long tickDuration;
    private final HashedWheelBucket[] wheel;
    private final int mask;

private final Indicator indicator;

private final long startTime;

private final Queue<HashedWheelTimerFuture> waitingTasks = Queues.newLinkedBlockingQueue();
    private final Queue<HashedWheelTimerFuture> canceledTasks = Queues.newLinkedBlockingQueue();

private final ExecutorService taskProcessPool;

public HashedWheelTimer(long tickDuration, int ticksPerWheel) {
        this(tickDuration, ticksPerWheel, 0);
    }

/**
     * 新建时间轮定时器
     * @param tickDuration 时间间隔，单位毫秒（ms）
     * @param ticksPerWheel 轮盘个数
     * @param processThreadNum 处理任务的线程个数，0代表不启用新线程（如果定时任务需要耗时操作，请启用线程池）
     */
    public HashedWheelTimer(long tickDuration, int ticksPerWheel, int processThreadNum) {

this.tickDuration = tickDuration;

// 初始化轮盘，大小格式化为2的N次，可以使用 & 代替取余
        int ticksNum = CommonUtils.formatSize(ticksPerWheel);
        wheel = new HashedWheelBucket[ticksNum];
        for (int i = 0; i < ticksNum; i++) {
            wheel[i] = new HashedWheelBucket();
        }
        mask = wheel.length - 1;

// 初始化执行线程池
        if (processThreadNum <= 0) {
            taskProcessPool = null;
        }else {
            ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("HashedWheelTimer-Executor-%d").build();
            // 这里需要调整一下队列大小
            BlockingQueue<Runnable> queue = Queues.newLinkedBlockingQueue(8192);
            int core = Math.max(Runtime.getRuntime().availableProcessors(), processThreadNum);
            // 基本都是 io 密集型任务
            taskProcessPool = new ThreadPoolExecutor(core, 2 * core,
                    60, TimeUnit.SECONDS,
                    queue, threadFactory, RejectedExecutionHandlerFactory.newCallerRun("PowerJobTimeWheelPool"));
        }

startTime = System.currentTimeMillis();

// 启动后台线程
        indicator = new Indicator();
        new Thread(indicator, "HashedWheelTimer-Indicator").start();
    }

@Override
    public TimerFuture schedule(TimerTask task, long delay, TimeUnit unit) {

long targetTime = System.currentTimeMillis() + unit.toMillis(delay);
        HashedWheelTimerFuture timerFuture = new HashedWheelTimerFuture(task, targetTime);

// 直接运行到期、过期任务
        if (delay <= 0) {
            runTask(timerFuture);
            return timerFuture;
        }

// 写入阻塞队列，保证并发安全（性能进一步优化可以考虑 Netty 的 Multi-Producer-Single-Consumer队列）
        waitingTasks.add(timerFuture);
        return timerFuture;
    }

@Override
    public Set<TimerTask> stop() {
        indicator.stop.set(true);
        taskProcessPool.shutdown();
        while (!taskProcessPool.isTerminated()) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            }catch (Exception ignore) {
            }
        }
        return indicator.getUnprocessedTasks();
    }

/**
     * 包装 TimerTask，维护预期执行时间、总圈数等数据
     */
    private final class HashedWheelTimerFuture implements TimerFuture {

// 预期执行时间
        private final long targetTime;
        private final TimerTask timerTask;

// 所属的时间格，用于快速删除该任务
        private HashedWheelBucket bucket;
        // 总圈数
        private long totalTicks;
        // 当前状态 0 - 初始化等待中，1 - 运行中，2 - 完成，3 - 已取消
        private int status;

// 状态枚举值
        private static final int WAITING = 0;
        private static final int RUNNING = 1;
        private static final int FINISHED = 2;
        private static final int CANCELED = 3;

public HashedWheelTimerFuture(TimerTask timerTask, long targetTime) {

this.targetTime = targetTime;
            this.timerTask = timerTask;
            this.status = WAITING;
        }

@Override
        public TimerTask getTask() {
            return timerTask;
        }

@Override
        public boolean cancel() {
            if (status == WAITING) {
                status = CANCELED;
                canceledTasks.add(this);
                return true;
            }
            return false;
        }

@Override
        public boolean isCancelled() {
            return status == CANCELED;
        }

@Override
        public boolean isDone() {
            return status == FINISHED;
        }
    }

/**
     * 时间格（本质就是链表，维护了这个时刻可能需要执行的所有任务）
     */
    private final class HashedWheelBucket extends LinkedList<HashedWheelTimerFuture> {

public void expireTimerTasks(long currentTick) {

removeIf(timerFuture -> {

// processCanceledTasks 后外部操作取消任务会导致 BUCKET 中仍存在 CANCELED 任务的情况
                if (timerFuture.status == HashedWheelTimerFuture.CANCELED) {
                    return true;
                }

if (timerFuture.status != HashedWheelTimerFuture.WAITING) {
                    log.warn("[HashedWheelTimer] impossible, please fix the bug");
                    return true;
                }

// 本轮直接调度
                if (timerFuture.totalTicks <= currentTick) {

if (timerFuture.totalTicks < currentTick) {
                        log.warn("[HashedWheelTimer] timerFuture.totalTicks < currentTick, please fix the bug");
                    }

try {
                        // 提交执行
                        runTask(timerFuture);
                    }catch (Exception ignore) {
                    } finally {
                        timerFuture.status = HashedWheelTimerFuture.FINISHED;
                    }
                    return true;
                }

return false;
            });

}
    }

private void runTask(HashedWheelTimerFuture timerFuture) {
        timerFuture.status = HashedWheelTimerFuture.RUNNING;
        if (taskProcessPool == null) {
            timerFuture.timerTask.run();
        }else {
            taskProcessPool.submit(timerFuture.timerTask);
        }
    }

/**
     * 模拟时针转动的线程
     */
    private class Indicator implements Runnable {

private long tick = 0;

private final AtomicBoolean stop = new AtomicBoolean(false);
        private final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);

@Override
        public void run() {

while (!stop.get()) {

// 1. 将任务从队列推入时间轮
                pushTaskToBucket();
                // 2. 处理取消的任务
                processCanceledTasks();
                // 3. 等待指针跳向下一刻
                tickTack();
                // 4. 执行定时任务
                int currentIndex = (int) (tick & mask);
                HashedWheelBucket bucket = wheel[currentIndex];
                bucket.expireTimerTasks(tick);

tick ++;
            }
            latch.countDown();
        }

/**
         * 模拟指针转动，当返回时指针已经转到了下一个刻度
         */
        private void tickTack() {

// 下一次调度的绝对时间
            long nextTime = startTime + (tick + 1) * tickDuration;
            long sleepTime = nextTime - System.currentTimeMillis();

if (sleepTime > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(sleepTime);
                }catch (Exception ignore) {
                }
            }
        }

/**
         * 处理被取消的任务
         */
        private void processCanceledTasks() {
            while (true) {
                HashedWheelTimerFuture canceledTask = canceledTasks.poll();
                if (canceledTask == null) {
                    return;
                }
                // 从链表中删除该任务（bucket为null说明还没被正式推入时间格中，不需要处理）
                if (canceledTask.bucket != null) {
                    canceledTask.bucket.remove(canceledTask);
                }
            }
        }

/**
         * 将队列中的任务推入时间轮中
         */
        private void pushTaskToBucket() {

while (true) {
                HashedWheelTimerFuture timerTask = waitingTasks.poll();
                if (timerTask == null) {
                    return;
                }

// 总共的偏移量
                long offset = timerTask.targetTime - startTime;
                // 总共需要走的指针步数
                timerTask.totalTicks = offset / tickDuration;
                // 取余计算 bucket index
                int index = (int) (timerTask.totalTicks & mask);
                HashedWheelBucket bucket = wheel[index];

// TimerTask 维护 Bucket 引用，用于删除该任务
                timerTask.bucket = bucket;

if (timerTask.status == HashedWheelTimerFuture.WAITING) {
                    bucket.add(timerTask);
                }
            }
        }

public Set<TimerTask> getUnprocessedTasks() {
            try {
                latch.await();
            }catch (Exception ignore) {
            }

Set<TimerTask> tasks = Sets.newHashSet();

Consumer<HashedWheelTimerFuture> consumer = timerFuture -> {
                if (timerFuture.status == HashedWheelTimerFuture.WAITING) {
                    tasks.add(timerFuture.timerTask);
                }
            };

waitingTasks.forEach(consumer);
            for (HashedWheelBucket bucket : wheel) {
                bucket.forEach(consumer);
            }
            return tasks;
        }
    }
}
```