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：

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

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

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：

创建任务，插入到数据结构中。查询任务，找到满足条件的任务执行任务。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。

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

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。

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

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

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

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;        }    }}

作者：京东保险 陈建华

来源：京东云开发者社区