Java 底层大揭秘系列:如何实现定时任务

定时器已经是现代软件中不可缺少的一部分，例如每隔5秒去查询一下状态，是否有新邮件，实现一个闹钟等， Java 中已经有现成的 api 供使用，但是如果你想设计更高效，更精准的定时器任务，就需要了解底层的硬件知识，比如实现一个分布式任务调度中间件，你可能要考虑到各个应用间时钟同步的问题。

Java 中我们要实现定时任务，有两种方式，一种通过 timer 类， 另外一种是 JUC 中的 ScheduledExecutorService ，不知道大家有没有好奇 JVM 是如何实现定时任务的，难道一直轮询时间，看是否时间到了，如果到了就调用对应的处理任务，但是这种一直轮询不释放 CPU 肯定是不可取的，要么就是线程阻塞，等到时间到了在来唤醒线程，那么 JVM 怎么知道时间到了，如何唤醒呢?

首先我们翻一下 JDK ，发现和时间相关的 API 大概有3处，而且这 3 处还都对时间的精度做了区分：

object.wait(long millisecond) 参数是毫秒，必须大于等于 0 ，如果等于 0 ，就一直阻塞直到其他线程来唤醒 ，timer 类就是通过 wait() 方法来实现，下面我们看一下wait的另外一个方法：

public final void wait(long timeout， int nanos) throws InterruptedException {

if (timeout < 0) {

throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");

}

if (nanos < 0 || nanos > 999999) {

throw new IllegalArgumentException(

"nanosecond timeout value out of range");

}

if (nanos > 0) {

timeout++;

}

wait(timeout);

}

这个方法是想提供一个可以支持纳秒级的超时时间，然而只是粗暴的加 1 毫秒。

Thread.sleep(long millisecond) 目前一般通过这种方式释放 CPU ，如果参数为 0 ，表示释放 CPU 给更高优先级的线程，自己从运行状态转换为可运行态等待 CPU 调度，他也提供了一个可以支持纳秒级的方法实现，跟 wait 额区别是它通过 500000 来分隔是否要加 1 毫秒。

public static void sleep(long millis， int nanos)

throws InterruptedException {

if (millis < 0) {

throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");

}

if (nanos < 0 || nanos > 999999) {

throw new IllegalArgumentException(

"nanosecond timeout value out of range");

}

if (nanos >= 500000 || (nanos != 0 && millis == 0)) {

millis++;

}

sleep(millis);

}

LockSupport.park(long nans) Condition.await()调用的该方法， ScheduledExecutorService 用的 condition.await() 来实现阻塞一定的超时时间，其他带超时参数的方法也都通过他来实现，目前大多定时器都是通过这个方法来实现的，该方法也提供了一个布尔值来确定时间的精度。

System.currentTimeMillis() 以及 System.nanoTime() 这两种方式都依赖于底层操作系统，前者是毫秒级，经测试 windows 平台的频率可能超过 10ms ，而后者是纳秒级别，频率在 100ns 左右，所以如果要获取更精准的时间建议用后者好了，api 了解完了，我们来看下定时器的底层是怎么实现的，现代PC机中有三种硬件时钟的实现，他们都是通过晶体振动产生的方波信号输入来完成时钟信号同步的。

实时时钟 RTC ，用于长时间存放系统时间的设备，即使关机也可以依靠主板中的电池继续计时。Linux 启动的时候会从 RTC 中读取时间和日期作为初始值，之后在运行期间通过其他计时器去维护系统时间。

可编程间隔定时器 PIT ，该计数器会有一个初始值，每过一个时钟周期，该初始值会减1，当该初始值被减到0时，就通过导线向 CPU 发送一个时钟中断， CPU 就可以执行对应的中断程序，也就是回调对应的任务

时间戳计数器 TSC ， 所有的 Intel8086 CPU 中都包含一个时间戳计数器对应的寄存器，该寄存器的值会在每次 CPU 收到一个时钟周期的中断信号后就会加 1 。他比 PIT 精度高，但是不能编程，只能读取。

时钟周期：硬件计时器在多长时间内产生时钟脉冲，而时钟周期频率为1秒内产生时钟脉冲的个数。目前通常为1193180。

时钟滴答：当PIT中的初始值减到0的时候，就会产生一次时钟中断，这个初始值由编程的时候指定。

Linux启动的时候，先通过 RTC 获取初始时间，之后内核通过 PIT 中的定时器的时钟滴答来维护日期，并且会定时将该日期写入 RTC，而应用程序的定时器主要是通过设置 PIT 的初始值设置的，当初始值减到0的时候，就表示要执行回调函数了，这里大家会不会有疑问，这样同一时刻只能有一个定时器程序了，而我们在应用程序中，以及多个应用程序之间有好多定时器任务，我们可以参考 ScheduledExecutorService 的实现。