Spring Boot定時(shí)任務(wù)原理

在現(xiàn)代應(yīng)用中，定時(shí)任務(wù)的調(diào)度是實(shí)現(xiàn)周期性操作的關(guān)鍵機(jī)制。Spring Boot 提供了強(qiáng)大的定時(shí)任務(wù)支持，通過注解驅(qū)動的方式，開發(fā)者可以輕松地為方法添加定時(shí)任務(wù)功能。本文將深入探討 Spring Boot 中定時(shí)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)原理，重點(diǎn)分析 @EnableScheduling 和 ScheduledAnnotationBeanPostProcessor 的作用，以及任務(wù)如何被注冊和執(zhí)行。我們還將詳細(xì)介紹底層使用的線程池調(diào)度器 ThreadPoolTaskScheduler 和 Java 內(nèi)置的 ScheduledThreadPoolExecutor，它們?nèi)绾螀f(xié)同工作，保證定時(shí)任務(wù)的準(zhǔn)確執(zhí)行。此外，我們還將探討任務(wù)調(diào)度的線程阻塞與喚醒機(jī)制，深入剖析延遲隊(duì)列（DelayedWorkQueue）如何有效管理任務(wù)的執(zhí)行順序。通過本文的學(xué)習(xí)，你將能夠更好地理解和應(yīng)用 Spring Boot 定時(shí)任務(wù)，提升應(yīng)用的調(diào)度能力和性能。

1.注解驅(qū)動

Spring Boot通過@EnableScheduling激活定時(shí)任務(wù)支持,而EnableScheduling注解導(dǎo)入了SchedulingConfiguration,這個(gè)類創(chuàng)建了一個(gè)名為ScheduledAnnotationBeanPostProcessor 的bean,而這個(gè)bean就是定時(shí)任務(wù)的關(guān)鍵

/*** {@code @Configuration} class that registers a {@link ScheduledAnnotationBeanPostProcessor}* bean capable of processing Spring's @{@link Scheduled} annotation.** <p>This configuration class is automatically imported when using the* {@link EnableScheduling @EnableScheduling} annotation. See* {@code @EnableScheduling}'s javadoc for complete usage details.** @author Chris Beams* @since 3.1* @see EnableScheduling* @see ScheduledAnnotationBeanPostProcessor*/
@Configuration(proxyBeanMethods = false)
@Role(BeanDefinition.ROLE_INFRASTRUCTURE)
public class SchedulingConfiguration {@Bean(name = TaskManagementConfigUtils.SCHEDULED_ANNOTATION_PROCESSOR_BEAN_NAME)@Role(BeanDefinition.ROLE_INFRASTRUCTURE)public ScheduledAnnotationBeanPostProcessor scheduledAnnotationProcessor() {return new ScheduledAnnotationBeanPostProcessor();}}

2.對ScheduledAnnotationBeanPostProcessor的分析

1. 類職責(zé)

• 核心作用：掃描 Spring Bean 中的 @Scheduled 注解方法，將其轉(zhuǎn)換為定時(shí)任務(wù)，并注冊到任務(wù)調(diào)度器。

2. 定時(shí)任務(wù)注冊的關(guān)鍵流程

代碼都是經(jīng)過簡化的代碼,實(shí)際上我去看Spring的源碼,發(fā)現(xiàn)代碼都很長,但是整體意思是差不多的

Bean 初始化后掃描注解（關(guān)鍵方法：postProcessAfterInitialization）

@Override
public Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) {// 1. 跳過 AOP 基礎(chǔ)設(shè)施類if (bean instanceof AopInfrastructureBean || bean instanceof TaskScheduler ||bean instanceof ScheduledExecutorService) {// Ignore AOP infrastructure such as scoped proxies.return bean;}// 2. 檢查類是否包含 @Scheduled 注解Class<?> targetClass = AopProxyUtils.ultimateTargetClass(bean);if (!nonAnnotatedClasses.contains(targetClass) && AnnotationUtils.isCandidateClass(targetClass, List.of(Scheduled.class, Schedules.class))) {// 3. 反射查找所有帶 @Scheduled 的方法Map<Method, Set<Scheduled>> annotatedMethods = MethodIntrospector.selectMethods(targetClass, method -> AnnotatedElementUtils.getMergedRepeatableAnnotations(method, Scheduled.class, Schedules.class));// 4. 處理每個(gè)帶注解的方法annotatedMethods.forEach((method, scheduledAnnotations) -> scheduledAnnotations.forEach(scheduled -> processScheduled(scheduled, method, bean)));}return bean;
}

• 跳過無關(guān) Bean：如 AOP 代理類、TaskScheduler 本身。
• 反射掃描方法：通過 MethodIntrospector 查找所有帶有 @Scheduled 的方法。
• 注解聚合：支持 @Schedules 多注解合并。

解析任務(wù)參數(shù)并注冊（關(guān)鍵方法：processScheduled）

protected void processScheduled(Scheduled scheduled, Method method, Object bean) {// 1. 創(chuàng)建 Runnable 任務(wù)Runnable runnable = createRunnable(bean, method);// 2. 解析時(shí)間參數(shù)（cron/fixedDelay/fixedRate）if (StringUtils.hasText(cron)) {// 處理 cron 表達(dá)式CronTask task = new CronTask(runnable, new CronTrigger(cron, timeZone));tasks.add(registrar.scheduleCronTask(task));} else if (fixedDelay > 0) {// 處理 fixedDelayFixedDelayTask task = new FixedDelayTask(runnable, fixedDelay, initialDelay);tasks.add(registrar.scheduleFixedDelayTask(task));} else if (fixedRate > 0) {// 處理 fixedRateFixedRateTask task = new FixedRateTask(runnable, fixedRate, initialDelay);tasks.add(registrar.scheduleFixedRateTask(task));}// 3. 注冊任務(wù)到 ScheduledTaskRegistrarsynchronized (scheduledTasks) {scheduledTasks.computeIfAbsent(bean, key -> new LinkedHashSet<>()).addAll(tasks);}
}

• 任務(wù)封裝：將方法封裝為 ScheduledMethodRunnable。
• 時(shí)間參數(shù)解析：
  • 支持 cron、fixedDelay、fixedRate 三種模式。
  • 處理 initialDelay 初始延遲。
  • 使用 embeddedValueResolver 解析占位符（如 ${task.interval}）。
• 任務(wù)注冊：最終任務(wù)被添加到 ScheduledTaskRegistrar。

啟動任務(wù)調(diào)度（關(guān)鍵方法：finishRegistration）

private void finishRegistration() {// 1. 配置 TaskScheduler（優(yōu)先級：顯式設(shè)置 > 查找 Bean > 默認(rèn)單線程）if (registrar.getScheduler() == null) {TaskScheduler scheduler = resolveSchedulerBean(beanFactory, TaskScheduler.class, false);registrar.setTaskScheduler(scheduler);}// 2. 調(diào)用 SchedulingConfigurer 自定義配置（擴(kuò)展點(diǎn)）List<SchedulingConfigurer> configurers = beanFactory.getBeansOfType(SchedulingConfigurer.class);configurers.forEach(configurer -> configurer.configureTasks(registrar));// 3. 啟動所有注冊的任務(wù)registrar.afterPropertiesSet();
}

• 調(diào)度器解析：
  • 默認(rèn)查找名為 taskScheduler 的 Bean。
  • 若無則創(chuàng)建單線程調(diào)度器（Executors.newSingleThreadScheduledExecutor()）。
• 擴(kuò)展點(diǎn)：允許通過 SchedulingConfigurer 自定義任務(wù)注冊邏輯。
• 最終啟動：調(diào)用 afterPropertiesSet() 觸發(fā)任務(wù)調(diào)度。

3.ThreadPoolTaskScheduler的剖析

ThreadPoolTaskScheduler 是 Spring 對 Java ScheduledThreadPoolExecutor 的封裝，是 @Scheduled 定時(shí)任務(wù)的底層執(zhí)行引擎。

• 繼承關(guān)系：繼承 ExecutorConfigurationSupport，實(shí)現(xiàn) TaskScheduler 接口，整合了線程池管理與定時(shí)任務(wù)調(diào)度。
• 底層依賴：基于 ScheduledThreadPoolExecutor，支持 周期性任務(wù)（fixedRate/fixedDelay）和 動態(tài)觸發(fā)任務(wù)（如 cron 表達(dá)式）。

線程池初始化（關(guān)鍵方法：initializeExecutor）

同樣,這里和以后的部分也都是偽代碼

@Override
protected ExecutorService initializeExecutor(ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler) {// 創(chuàng)建 ScheduledThreadPoolExecutorthis.scheduledExecutor = createExecutor(this.poolSize, threadFactory, rejectedExecutionHandler);// 配置線程池策略（如取消后立即移除任務(wù)）if (this.scheduledExecutor instanceof ScheduledThreadPoolExecutor scheduledPoolExecutor) {scheduledPoolExecutor.setRemoveOnCancelPolicy(this.removeOnCancelPolicy);// 其他策略設(shè)置...}return this.scheduledExecutor;
}

這部分是我復(fù)制源碼的,可以清晰的看到,底層就是new了ScheduledThreadPoolExecutor

	protected ScheduledExecutorService createExecutor(int poolSize, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler) {return new ScheduledThreadPoolExecutor(poolSize, threadFactory, rejectedExecutionHandler);}

4.ScheduledThreadPoolExecutor的原理分析

核心成員：

• 任務(wù)隊(duì)列：使用 DelayedWorkQueue（內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的小頂堆），按任務(wù)執(zhí)行時(shí)間排序。
• 線程池：復(fù)用 ThreadPoolExecutor 的線程管理機(jī)制，支持核心線程數(shù)和最大線程數(shù)配置。

2. 定時(shí)任務(wù)調(diào)度機(jī)制

所有定時(shí)任務(wù)被封裝為 ScheduledFutureTask 對象，其核心邏輯如下：

private class ScheduledFutureTask<V> extends FutureTask<V> implements RunnableScheduledFuture<V> {private long time;          // 下一次執(zhí)行時(shí)間（納秒）private final long period;  // 周期（正數(shù)：fixedRate；負(fù)數(shù)：fixedDelay）private int heapIndex;      // 在 DelayedWorkQueue 中的索引public void run() {if (isPeriodic()) {// 周期性任務(wù)：重新計(jì)算下一次執(zhí)行時(shí)間，并重新加入隊(duì)列setNextRunTime();reExecutePeriodic(outerTask);} else {// 一次性任務(wù)：直接執(zhí)行super.run();}}
}

1. 任務(wù)提交：通過 schedule、scheduleAtFixedRate 等方法提交任務(wù)。
2. 隊(duì)列管理：任務(wù)被封裝為 ScheduledFutureTask 并加入 DelayedWorkQueue。
3. 線程喚醒：工作線程 (Worker) 從隊(duì)列獲取任務(wù)，若任務(wù)未到執(zhí)行時(shí)間，線程進(jìn)入限時(shí)等待（available.awaitNanos(delay)）。
4. 任務(wù)執(zhí)行：到達(dá)執(zhí)行時(shí)間后，線程執(zhí)行任務(wù)：
   • 固定速率（fixedRate）：執(zhí)行完成后，根據(jù) period 計(jì)算下一次執(zhí)行時(shí)間（time += period）。
   • 固定延遲（fixedDelay）：執(zhí)行完成后，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間計(jì)算下一次執(zhí)行時(shí)間（time = now() + (-period)）。
5. 重新入隊(duì)：周期性任務(wù)執(zhí)行后，重新加入隊(duì)列等待下次調(diào)度。

3.DelayedWorkQueue的簡單剖析

DelayQueue隊(duì)列是一個(gè)延遲隊(duì)列，DelayQueue中存放的元素必須實(shí)現(xiàn)Delayed接口的元素，實(shí)現(xiàn)接口后相當(dāng)于是每個(gè)元素都有個(gè)過期時(shí)間，當(dāng)隊(duì)列進(jìn)行take獲取元素時(shí)，先要判斷元素有沒有過期，只有過期的元素才能出隊(duì)操作，沒有過期的隊(duì)列需要等待剩余過期時(shí)間才能進(jìn)行出隊(duì)操作。

DelayQueue隊(duì)列內(nèi)部使用了PriorityQueue優(yōu)先隊(duì)列來進(jìn)行存放數(shù)據(jù)，它采用的是二叉堆進(jìn)行的優(yōu)先隊(duì)列，使用ReentrantLock鎖來控制線程同步，由于內(nèi)部元素是采用的PriorityQueue來進(jìn)行存放數(shù)據(jù)，所以Delayed接口實(shí)現(xiàn)了Comparable接口，用于比較來控制優(yōu)先級

線程阻塞與喚醒邏輯

(1) 取任務(wù)時(shí)的阻塞（take() 方法）

當(dāng)線程調(diào)用 take() 方法從隊(duì)列中獲取任務(wù)時(shí)，若隊(duì)列為空或隊(duì)頭任務(wù)未到期，線程會進(jìn)入阻塞狀態(tài)：

public E take() throws InterruptedException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lockInterruptibly();try {for (;;) {E first = q.peek();if (first == null) {available.await(); // 隊(duì)列為空時(shí)無限等待} else {long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);if (delay <= 0) return q.poll(); // 任務(wù)已到期，取出執(zhí)行if (leader != null) {available.await(); // 其他線程已為隊(duì)頭任務(wù)等待，本線程無限等待} else {Thread thisThread = Thread.currentThread();leader = thisThread; // 標(biāo)記當(dāng)前線程為“領(lǐng)導(dǎo)者”try {available.awaitNanos(delay); // 限時(shí)等待到期時(shí)間} finally {if (leader == thisThread) leader = null;}}}}} finally {if (leader == null && q.peek() != null) available.signal();lock.unlock();}
}

• 關(guān)鍵邏輯：
  • leader 線程優(yōu)化：避免多個(gè)線程同時(shí)等待同一任務(wù)到期，僅一個(gè)線程（leader）限時(shí)等待，其他線程無限等待
  • 限時(shí)等待：通過 available.awaitNanos(delay) 阻塞到任務(wù)到期時(shí)間。

(2) 插入新任務(wù)時(shí)的喚醒（offer() 方法）

當(dāng)新任務(wù)被插入隊(duì)列時(shí)，若新任務(wù)成為隊(duì)頭（即最早到期），會觸發(fā)喚醒邏輯：

public boolean offer(E e) {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {q.offer(e); // 插入任務(wù)并調(diào)整堆結(jié)構(gòu)if (q.peek() == e) { // 新任務(wù)成為隊(duì)頭leader = null;available.signal(); // 喚醒等待線程}return true;} finally {lock.unlock();}
}

• 喚醒條件：
  • 插入的任務(wù)成為新的隊(duì)頭（即其到期時(shí)間最早）。
  • 調(diào)用available.signal()喚醒等待的線程（leader)或其他線程

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(3) 喚醒機(jī)制總結(jié)

• 何時(shí)喚醒：
  1. 超時(shí)喚醒：等待線程因任務(wù)到期而被 JVM 自動喚醒。
  2. 插入新任務(wù)喚醒：新任務(wù)的到期時(shí)間早于當(dāng)前隊(duì)頭任務(wù)時(shí)，插入線程會觸發(fā)喚醒。
• 喚醒對象：
  • 若存在 leader 線程（正在限時(shí)等待隊(duì)頭任務(wù)），優(yōu)先喚醒它。
  • 若無 leader，喚醒任意一個(gè)等待線程