【java】HashedWheelTimer 使用及源码分析
1.概述
本文介绍的 HashedWheelTimer 是来自于 Netty 的工具类，在 netty-common 包中。它用于实现延时任务。另外，下面介绍的内容和 Netty 无关。
如果你看过 Dubbo 的源码，一定会在很多地方看到它。在需要失败重试的场景中，它是一个非常方便好用的工具。
本文将会介绍 HashedWheelTimer 的使用，以及在后半部分分析它的源码实现。
2.接口概览
在介绍它的使用前，先了解一下它的接口定义，以及和它相关的类。
HashedWheelTimer 是接口 io.netty.util.Timer 的实现，从面向接口编程的角度，我们其实不需要关心 HashedWheelTimer，只需要关心接口类 Timer 就可以了。这个 Timer 接口只有两个方法：
public interface Timer {
// 创建一个定时任务
Timeout newTimeout(TimerTask task, long delay, TimeUnit unit);
// 停止所有的还没有被执行的定时任务
Set<Timeout> stop();
}Timer 是我们要使用的任务调度器，我们可以从方法上看出，它提交一个任务 TimerTask，返回的是一个 Timeout 实例。所以这三个类之间的关系大概是下面这样的：
TimerTask 非常简单，就一个 run() 方法：
public interface TimerTask {
void run(Timeout timeout) throws Exception;
}当然这里有点意思的是，它把 Timeout 的实例也传进来了，我们平时的代码习惯，都是单向依赖。
这样做也有好处，那就是在任务执行过程中，可以通过 timeout 实例来做点其他的事情。
public interface Timeout {
Timer timer();
TimerTask task();
boolean isExpired();
boolean isCancelled();
boolean cancel();
}它持有上层的 Timer 实例，和下层的 TimerTask 实例，然后取消任务的操作也在这里面。
3.HashedWheelTimer 使用
有了第一节介绍的接口信息，其实我们很容易就可以使用它了。我们先来随意写几行：
// 构造一个 Timer 实例
Timer timer = new HashedWheelTimer();
// 提交一个任务，让它在 5s 后执行
Timeout timeout1 = timer.newTimeout(new TimerTask() {
@Override
public void run(Timeout timeout) {
System.out.println("5s 后执行该任务");
}
}, 5, TimeUnit.SECONDS);
// 再提交一个任务，让它在 10s 后执行
Timeout timeout2 = timer.newTimeout(new TimerTask() {
@Override
public void run(Timeout timeout) {
System.out.println("10s 后执行该任务");
}
}, 10, TimeUnit.SECONDS);
// 取消掉那个 5s 后执行的任务
if (!timeout1.isExpired()) {
timeout1.cancel();
}
// 原来那个 5s 后执行的任务，已经取消了。这里我们反悔了，我们要让这个任务在 3s 后执行
// 我们说过 timeout 持有上、下层的实例，所以下面的 timer 也可以写成 timeout1.timer()
timer.newTimeout(timeout1.task(), 3, TimeUnit.SECONDS);有钱人终成眷属 没钱人终生痛苦
通过这几行代码，大家就可以非常熟悉这几个类的使用了，因为它们真的很简单。
我们来看一下 Dubbo 中的一个例子。
下面这个代码修改自 Dubbo 的集群调用策略 FailbackClusterInvoker 中：
它在调用 provider 失败以后，返回空结果给消费端，然后由后台线程执行定时任务重试，多用于消息通知这种场景。
public class Application {
public static void main(String[] args) {
Application app = new Application();
app.invoke();
}
private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(Application.class);
private volatile Timer failTimer = null;
public void invoke() {
try {
doInvoke();
} catch (Throwable e) {
log.error("调用 doInvoke 方法失败，5s 后将进入后台的自动重试，异常信息: ", e);
addFailed(() -> doInvoke());
}
}
// 实际的业务实现
private void doInvoke() {
// 这里让这个方法故意失败
throw new RuntimeException("故意抛出异常");
}
private void addFailed(Runnable task) {
// 延迟初始化
if (failTimer == null) {
synchronized (this) {
if (failTimer == null) {
failTimer = new HashedWheelTimer();
}
}
}
RetryTimerTask retryTimerTask = new RetryTimerTask(task, 3, 5);
try {
// 5s 后执行第一次重试
failTimer.newTimeout(retryTimerTask, 5, TimeUnit.SECONDS);
} catch (Throwable e) {
log.error("提交定时任务失败，exception: ", e);
}
}
}下面是里面使用到的 RetryTimerTask 类，当然，你也可以选择写成内部类：
public class RetryTimerTask implements TimerTask {
private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(RetryTimerTask.class);
// 每隔几秒执行一次
private final long tick;
// 最大重试次数
private final int retries;
private int retryTimes = 0;
private Runnable task;
public RetryTimerTask(Runnable task, long tick, int retries) {
this.tick = tick;
this.retries = retries;
this.task = task;
}
@Override
public void run(Timeout timeout) {
try {
task.run();
} catch (Throwable e) {
if ((++retryTimes) >= retries) {
// 重试次数超过了设置的值
log.error("失败重试次数超过阈值: {}，不再重试", retries);
} else {
log.error("重试失败，继续重试");
rePut(timeout);
}
}
}
// 通过 timeout 拿到 timer 实例，重新提交一个定时任务
private void rePut(Timeout timeout) {
if (timeout == null) {
return;
}
Timer timer = timeout.timer();
if (timeout.isCancelled()) {
return;
}
timer.newTimeout(timeout.task(), tick, TimeUnit.SECONDS);
}
}上面的代码也非常简单，在调用 doInvoke() 方法失败以后，提交一个定时任务在 5s 后执行重试，如果还是失败，之后每 3s 重试一次，最多重试 5 次，如果重试 5 次都失败，记录错误日志，不再重试。
打印的日志如下：
15:47:36.232 [main] ERROR c.j.n.timer.Application - 调用 doInvoke 方法失败，5s 后将进入后台的自动重试，异常信息:
java.lang.RuntimeException: 故意抛出异常
at com.javadoop.nettylearning.timer.Application.doInvoke(Application.java:36)
at com.javadoop.nettylearning.timer.Application.invoke(Application.java:28)
at com.javadoop.nettylearning.timer.Application.main(Application.java:19)
15:47:41.793 [pool-1-thread-1] ERROR c.j.n.timer.RetryTimerTask - 重试失败，继续重试
15:47:44.887 [pool-1-thread-1] ERROR c.j.n.timer.RetryTimerTask - 重试失败，继续重试
15:47:47.986 [pool-1-thread-1] ERROR c.j.n.timer.RetryTimerTask - 重试失败，继续重试
15:47:51.084 [pool-1-thread-1] ERROR c.j.n.timer.RetryTimerTask - 重试失败，继续重试
15:47:54.186 [pool-1-thread-1] ERROR c.j.n.timer.RetryTimerTask - 失败重试次数超过阈值: 5，不再重试HashedWheelTimer 的使用确实非常简单，如果你是来学习怎么使用它的，那么看到这里就可以了。
4.HashedWheelTimer 源码分析
大家肯定都知道或听说过，它用的是一个叫做时间轮(下载算法介绍PPT)的算法，看下面我画的图：
我这里先说说大致的执行流程，之后再进行细致的源码分析。
默认地，时钟每 100ms 滴答一下（tick），往前走一格，共 512 格，走完一圈以后继续下一圈。把它想象成生活中的钟表就可以了。
内部使用一个长度为 512 的数组存储，数组元素（bucket）的数据结构是链表，链表每个元素代表一个任务，也就是我们前面介绍的 Timeout 的实例。
提交任务的线程，只要把任务往虚线上面的任务队列中存放即可返回。工作线程是单线程，一旦开启，不停地在时钟上绕圈圈。
仔细看下面的介绍：
- 工作线程到达每个时间整点的时候，开始工作。在 HashedWheelTimer 中，时间都是相对时间，工作线程的启动时间，定义为时间的 0 值。因为一次 tick 是 100ms(默认值)，所以 100ms、200ms、300ms… 就是我说的这些整点。
- 如上图，当时间到 200ms 的时候，发现任务队列有任务，取出所有的任务。
- 按照任务指定的执行时间，将其分配到相应的 bucket 中。如上图中，任务2 和任务6指定的时间为 100ms~200ms 这个区间，就被分配到第二个 bucket 中，形成链表，其他任务同理。
这里还有轮次的概念，不过不用着急，比如任务 6 指定的时间可能是 150ms + (512*100ms)，它也会落在这个 bucket 中，但是它是下一个轮次才能被执行的。
任务分配到 bucket 完成后，执行该次 tick 的真正的任务，也就是落在第二个 bucket 中的任务 2 和任务 6。
假设执行这两个任务共消耗了 50ms，到达 250ms 的时间点，那么工作线程会休眠 50ms，等待进入到 300ms 这个整点。
如果这两个任务执行的时间超过 100ms 怎么办？这个问题就要看源码来解答了。
开始源码分析。我们从它的默认构造器开始，一步步到达最后一个最复杂的构造器：
public HashedWheelTimer(
ThreadFactory threadFactory,
long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel, boolean leakDetection,
long maxPendingTimeouts) {
......
}简单说一下各个参数：
threadFactory：定时任务都是后台任务，需要开启线程，我们通常会通过自定义 threadFactory 来命名线程，嫌麻烦就使用Executors.defaultThreadFactory()。tickDuration和 timeUnit 定义了一格的时间长度，默认的就是 100ms。ticksPerWheel定义了一圈有多少格，默认的就是 512；leakDetection：用于追踪内存泄漏，本文不会介绍它，感兴趣的读者请自行去了解它。maxPendingTimeouts：最大允许等待的 Timeout 实例数，也就是我们可以设置不允许太多的任务等待。如果未执行任务数达到阈值，那么再次提交任务会抛出 RejectedExecutionException 异常。默认不限制。
5.初始化 HashedWheelTimer
public HashedWheelTimer(
ThreadFactory threadFactory,
long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel, boolean leakDetection,
long maxPendingTimeouts) {
// ...... 参数检查
// 初始化时间轮，这里做了向上"取整"，保持数组长度为 2 的 n 次方
wheel = createWheel(ticksPerWheel);
// 掩码，用来做取模
mask = wheel.length - 1;
// 100ms 转换为纳秒 100*10^6
this.tickDuration = unit.toNanos(tickDuration);
// 防止溢出
if (this.tickDuration >= Long.MAX_VALUE / wheel.length) {
throw new IllegalArgumentException(String.format(
"tickDuration: %d (expected: 0 < tickDuration in nanos < %d",
tickDuration, Long.MAX_VALUE / wheel.length));
}
// 创建工作线程，这里没有启动线程。后面会看到，在第一次提交任务的时候会启动线程
workerThread = threadFactory.newThread(worker);
leak = leakDetection || !workerThread.isDaemon() ? leakDetector.track(this) : null;
// 赋值最大允许等待任务数
this.maxPendingTimeouts = maxPendingTimeouts;
// 如果超过 64 个 HashedWheelTimer 实例，它会打印错误日志提醒你
// Netty 是真的到位，就怕你会用错这个工具，到处实例化它。而且它只会报错一次。
if (INSTANCE_COUNTER.incrementAndGet() > INSTANCE_COUNT_LIMIT &&
WARNED_TOO_MANY_INSTANCES.compareAndSet(false, true)) {
reportTooManyInstances();
}
}上面，HashedWheelTimer 完成了初始化，初始化了时间轮数组 HashedWheelBucket[]，稍微看一下内部类 HashedWheelBucket，可以看到它是一个链表的结构。这个很好理解，因为每一格可能有多个任务。
6.提交第一个任务
@Override
public Timeout newTimeout(TimerTask task, long delay, TimeUnit unit) {
if (task == null) {
throw new NullPointerException("task");
}
if (unit == null) {
throw new NullPointerException("unit");
}
// 校验等待任务数是否达到阈值 maxPendingTimeouts
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 + ")");
}
// 如果工作线程没有启动，这里负责启动
start();
/** 下面的代码，构建 Timeout 实例，将其放到任务队列中。 **/
// deadline 是一个相对时间，相对于 HashedWheelTimer 的启动时间
long deadline = System.nanoTime() + unit.toNanos(delay) - startTime;
// Guard against overflow.
if (delay > 0 && deadline < 0) {
deadline = Long.MAX_VALUE;
}
// timeout 实例，一个上层依赖 timer，一个下层依赖 task，另一个是任务到期时间
HashedWheelTimeout timeout = new HashedWheelTimeout(this, task, deadline);
// 放到 timeouts 队列中
timeouts.add(timeout);
return timeout;
}提交任务的操作非常简单，实例化 Timeout，然后放到任务队列中。
我们可以看到，这里使用的优先级队列是一个 MPSC（Multiple Producer Single Consumer）的队列，刚好适用于这里的多生产线程，单消费线程的场景。而在 Dubbo 中，使用的队列是 LinkedBlockingQueue，它是一个以链表方式组织的线程安全的队列。
另外就是注意这里调用的 start() 方法，如果该任务是第一个提交的任务，它会负责工作线程的启动。
7.工作线程开始工作
其实只要看懂下面的几行代码，HashedWheelTimer 的源码就非常简单了。
private final class Worker implements Runnable {
private final Set<Timeout> unprocessedTimeouts = new HashSet<Timeout>();
// tick 过的次数，前面说过，时针每 100ms tick 一次
private long tick;
@Override
public void run() {
// 在 HashedWheelTimer 中，用的都是相对时间，所以需要启动时间作为基准，并且要用 volatile 修饰
startTime = System.nanoTime();
if (startTime == 0) {
// 这里不是很看得懂...请知道的读者不吝赐教
startTime = 1;
}
// 第一个提交任务的线程正 await 呢，唤醒它
startTimeInitialized.countDown();
// 接下来这个 do-while 是真正执行任务的地方，非常重要
do {
// 往下滑，就在当前的代码块里面，倒数第二个方法
// 比如之前介绍的图，那返回值 deadline 就是 200ms
final long deadline = waitForNextTick();
if (deadline > 0) {
// 该次 tick，bucket 数组对应的 index
int idx = (int) (tick & mask);
// 处理一下已经取消的任务，可忽略。
processCancelledTasks();
// bucket
HashedWheelBucket bucket = wheel[idx];
// 将队列中所有的任务转移到相应的 buckets 中。细节往下看，这个代码块的下一个方法。
transferTimeoutsToBuckets();
// 执行进入到这个 bucket 中的任务
bucket.expireTimeouts(deadline);
tick++;
}
} while (WORKER_STATE_UPDATER.get(HashedWheelTimer.this) == WORKER_STATE_STARTED);
/* 到这里，说明这个 timer 要关闭了，做一些清理工作 */
// 将所有 bucket 中没有执行的任务，添加到 unprocessedTimeouts 这个 HashSet 中，
// 主要目的是用于 stop() 方法返回
for (HashedWheelBucket bucket: wheel) {
bucket.clearTimeouts(unprocessedTimeouts);
}
// 将任务队列中的任务也添加到 unprocessedTimeouts 中
for (;;) {
HashedWheelTimeout timeout = timeouts.poll();
if (timeout == null) {
break;
}
if (!timeout.isCancelled()) {
unprocessedTimeouts.add(timeout);
}
}
processCancelledTasks();
}
private void transferTimeoutsToBuckets() {
// 这里一个 for 循环，还特地限制了 10 万次，就怕你写错代码，一直往里面扔任务，可能实际也没什么用吧
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
HashedWheelTimeout timeout = timeouts.poll();
if (timeout == null) {
// 没有任务了
break;
}
if (timeout.state() == HashedWheelTimeout.ST_CANCELLED) {
// 该任务刚刚被取消了（在transfer之前其实已经做过一次了）
continue;
}
// 下面就是将任务放到相应的 bucket 中，这里还计算了每个任务的 remainingRounds
long calculated = timeout.deadline / tickDuration;
timeout.remainingRounds = (calculated - tick) / wheel.length;
final long ticks = Math.max(calculated, tick); // Ensure we don't schedule for past.
int stopIndex = (int) (ticks & mask);
HashedWheelBucket bucket = wheel[stopIndex];
// 单个 bucket，是由 HashedWheelTimeout 实例组成的一个链表，
// 大家可以看一下这里面的代码，由于是单线程操作，不存在并发，所以代码很简单
bucket.addTimeout(timeout);
}
}
private void processCancelledTasks() {
//... 太简单，忽略
}
/**
* 下面这个方法大家多看几遍，注意它的返回值
* 前面说过，我们用的都是相对时间，所以：
* 第一次进来的时候，工作线程会在 100ms 的时候返回，返回值是 100*10^6
* 第二次进来的时候，工作线程会在 200ms 的时候返回，依次类推
* 另外就是注意极端情况，比如第二次进来的时候，由于被前面的任务阻塞，导致进来的时候就已经是 250ms，
* 那么，一进入这个方法就要立即返回，返回值是 250ms，而不是 200ms
* 剩下的自己看一下代码
*/
private long waitForNextTick() {
long deadline = tickDuration * (tick + 1);
// 嵌套在一个死循环里面
for (;;) {
final long currentTime = System.nanoTime() - startTime;
long sleepTimeMs = (deadline - currentTime + 999999) / 1000000;
if (sleepTimeMs <= 0) {
if (currentTime == Long.MIN_VALUE) {
// 什么情况会进到这个分支？我也不清楚
return -Long.MAX_VALUE;
} else {
// 这里是出口，所以返回值是当前时间(相对时间)
return currentTime;
}
}
// Check if we run on windows, as if thats the case we will need
// to round the sleepTime as workaround for a bug that only affect
// the JVM if it runs on windows.
//
// See https://github.com/netty/netty/issues/356
if (PlatformDependent.isWindows()) {
sleepTimeMs = sleepTimeMs / 10 * 10;
}
try {
Thread.sleep(sleepTimeMs);
} catch (InterruptedException ignored) {
// 如果 timer 已经 shutdown，那么返回 Long.MIN_VALUE
if (WORKER_STATE_UPDATER.get(HashedWheelTimer.this) == WORKER_STATE_SHUTDOWN) {
return Long.MIN_VALUE;
}
}
}
}
public Set<Timeout> unprocessedTimeouts() {
return Collections.unmodifiableSet(unprocessedTimeouts);
}
}接下来应该看看怎么执行 bucket 中的任务：
/**
* 这里会执行这个 bucket 中，轮次为 0 的任务，也就是到期的任务。
* 这个方法的入参 deadline 其实没什么用，因为轮次为 0 的都是应该被执行的。
*/
public void expireTimeouts(long deadline) {
HashedWheelTimeout timeout = head;
// 处理链表上的所有 timeout 实例
while (timeout != null) {
HashedWheelTimeout next = timeout.next;
if (timeout.remainingRounds <= 0) {
next = remove(timeout);
if (timeout.deadline <= deadline) {
// 这行代码负责执行具体的任务
timeout.expire();
} else {
// 这里的代码注释也说，不可能进入到这个分支
// The timeout was placed into a wrong slot. This should never happen.
throw new IllegalStateException(String.format(
"timeout.deadline (%d) > deadline (%d)", timeout.deadline, deadline));
}
} else if (timeout.isCancelled()) {
next = remove(timeout);
} else {
// 轮次减 1
timeout.remainingRounds --;
}
timeout = next;
}
}源码分析部分已经说完了，有一些简单的分支，这里就不花篇幅介绍了。
Worker 线程是一个 bucket 一个 bucket 顺次处理的，所以，即使有些任务执行时间超过了 100ms，“霸占”了之后好几个 bucket 的处理时间，也没关系，这些任务并不会被漏掉。但是有可能被延迟执行，毕竟工作线程是单线程。
8.说个有意思的点
在提交任务的 newTimeout 方法中，调用了启动线程的 start() 方法，它会保证线程真的启动以后并且赋值完了 startTime 以后，start() 方法再返回。因为在 newTimeout 方法的后半段中需要一个正确的 startTime。
看下面两个代码片段。提交任务的线程：
public void start() {
......
// 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.
}
}
}
工作线程 Worker：
public void run() {
// 初始化 startTime
startTime = System.nanoTime();
if (startTime == 0) {
// We use 0 as an indicator for the uninitialized value here, so make sure it's not 0 when initialized.
startTime = 1;
}
// 这里用了一个 CountDownLatch 实例来通信
startTimeInitialized.countDown();
......
}这里 startTime 是 volatile 修饰的属性，为了保证它的可见性。
可是大家有没有发现，其实有 startTimeInitialized 这个 CountDownLatch 实例，就能保证这里的并发先后问题。
这里简单讨论两个点：
1、第一个代码片段中的 while 换成 if 行不行？
不行。
Object 中的 wait/notify 存在操作系统的假唤醒，所以一般都在 while 循环里，但是这里的 CountDownLatch 不会，所以看上去这里的 while 是没必要的。但是 CountDownLatch 没有提供 awaitUninterruptibly() 方法，所以这里其实在处理线程中断的情况。
2、这里 startTime 属性不用 volatile 修饰行不行？
个人认为是可以的。
因为 CountDownLatch 提供了语义：在 countDown() 之前的操作 happens-before await() 后的操作。
如果是我理解错误，欢迎大家指正。
9.小结
HashedWheelTimer 的源码相对简单，它的算法设计比较有意思。
我再把这个图放到这里，大家可以仔细回顾一下它的工作流程是怎样的。
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