SpringBoot定时任务设计之时间轮案例原理详解

本文将详细介绍SpringBoot定时任务设计之时间轮案例，讲解时间轮的基本原理和实现方式，以及如何在SpringBoot中实现定时任务的调度。

基本原理

时间轮是一种常见的定时任务调度算法，它的基本原理是将时间线性化，并按照固定的时间间隔划分成若干个时间槽，将任务按照配合它触发时间所在的时间槽进行存储和调度。在每个时间轮的一个时间间隔中，时间轮会一次性触发当前时间槽中存储的所有任务，并根据任务的触发时间重新存储到时间槽中。

例如，我们有一个时间轮，每5秒钟一个时间槽，当前时间是15秒钟，那么时间轮会触发第三个时间槽中存储的所有任务，并将下一次执行时间在20秒钟之前的任务重新存储到第一个时间槽中。此时时间轮的状态如下：

Time:  0    5    10    15    20    25    30
Slot: [3]  [4]  [0]   [1]   [2]   ...   ...

时间轮的实现方式

时间轮的实现方式有很多，本文介绍一种基于链表的实现方式。

时间槽

一个时间槽由一个单向链表组成，链表中存储的是需要在该时间槽中触发的定时任务。每个任务的结构体中需要包含任务详情和下一次执行时间等信息。

class TaskDetail {
    ...
}

class TaskItem {
    TaskDetail task;
    long nextFireTime;
    TaskItem next;
}

时间轮

一个时间轮由若干个时间槽组成，每个时间槽的时间戳等于轮的周期数乘以轮的间隔。每个时间轮需要维护一个当前的时间槽指针，指向下一次触发任务的时间槽。当时间槽指针经过最后一个时间槽时，需要将时间戳加1，同时将时间槽指针重置到第一个时间槽。

class TimeWheel {
    int interval;
    int ticksPerWheel;
    int currentTickIndex = 0;
    int currentTime = 0;
    TaskItem[] slots;
    TimeWheel overflowWheel;
}

时间轮的移动和任务的触发

时间轮需要每隔固定的时间间隔移动一格，并触发当前时间槽中存储的定时任务，并将下一次执行时间在当前时间之前的任务重新添加到时间轮的第一个时间槽中。对于跨越多个时间槽的任务，需要将其分拆成多个部分，并添加到相应的时间槽中。当时间轮移动时，如果当前时间槽中有任务被重复添加，可以利用哈希表等数据结构过滤掉重复的任务。

SpringBoot中的定时任务调度

在SpringBoot中可以通过实现Runnable接口或使用注解的方式实现定时任务调度。以注解的方式为例，下面介绍如何在SpringBoot中使用时间轮进行定时任务调度。

创建时间轮

创建一个新的时间轮，并设置时间轮的各项参数，如时间间隔、时间轮大小、定时任务存储策略等。

@Configuration
public class TimeWheelConfig {
    @Bean
    public TimeWheel timeWheel() {
        return new TimeWheel(1000, 20, new HashedWheelTimer());
    }
}

添加定时任务

创建一个Scheduler类，在Scheduler类中注入时间轮实例，调用时间轮的addTask方法向时间轮中添加定时任务。

@Component
public class Scheduler {
    @Autowired
    private TimeWheel timeWheel;

    @Scheduled(fixedDelay = 1000)
    public void run() {
        TaskDetail task = new TaskDetail();
        task.setFireTime(System.currentTimeMillis() + 6000);
        timeWheel.addTask(task);
    }
}

示例一

现在我们来看一个示例，假设我们有一个定时任务需要每5秒钟执行一次，并向控制台输出当前时间。

首先，我们需要创建一个Scheduled类，实现Runnable接口，并重写run方法，在run方法中实现具体的定时任务逻辑。

@Component
public class ScheduledTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        SimpleDateFormat format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        System.out.println("Current Time: " + format.format(new Date()));
    }
}

然后我们需要在Spring Boot应用启动时创建一个定时任务调度器，并将ScheduledTask添加到调度器中。

@Configuration
@EnableScheduling
public class SchedulerConfig {
    @Autowired
    private ScheduledTask scheduledTask;

    @Bean
    public TaskScheduler taskScheduler() {
        ThreadPoolTaskScheduler scheduler = new ThreadPoolTaskScheduler();
        scheduler.setPoolSize(1);
        scheduler.setThreadNamePrefix("task-thread");
        scheduler.initialize();
        return scheduler;
    }

    @Scheduled(fixedDelay = 5000)
    public void scheduleTask() {
        taskScheduler().schedule(scheduledTask, new CronTrigger("0/5 * * * * ?"));
    }
}

这种方式实现的定时任务调度，可以根据用户指定的时间间隔及CRON表达式，动态地调度任务。需要注意的是，在使用CronTrigger时必须设置正确的时区，否则定时任务会在错误的时间触发。

示例二

现在我们来看第二个示例，假设我们有一个定时任务需要定期查询一张关联表，并将查询结果更新到另一张表中。

首先，我们需要创建一个定时任务，实现定时查询并更新数据的逻辑。

@Component
public class ScheduledTask {
    @Autowired
    private DataSource dataSource;

    @Scheduled(cron = "0 0 0 * * ?")
    public void run() {
        try {
            Connection connection = dataSource.getConnection();
            Statement statement = connection.createStatement();
            ResultSet resultSet = statement.executeQuery("SELECT * FROM join_table");
            while (resultSet.next()) {
                // 查询关联表并更新数据
            }
            statement.close();
            connection.close();
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

然后我们需要在Spring Boot应用启动时创建一个定时任务调度器，并将ScheduledTask添加到调度器中。

@Configuration
@EnableScheduling
public class SchedulerConfig {
    @Autowired
    private ScheduledTask scheduledTask;

    @Bean
    public TaskScheduler taskScheduler() {
        ThreadPoolTaskScheduler scheduler = new ThreadPoolTaskScheduler();
        scheduler.setPoolSize(1);
        scheduler.setThreadNamePrefix("task-thread");
        scheduler.initialize();
        return scheduler;
    }

    @Scheduled(fixedDelay = 5000)
    public void scheduleTask() {
        taskScheduler().schedule(scheduledTask, new CronTrigger("0 0 0 * * ?"));
    }
}

这种方式实现的定时任务调度，可以实现很多与数据库相关定时任务的功能。需要注意的是，在使用JDBC时必须关闭Statement和Connection等资源，以防止资源泄漏。