Quartz原理解密

一、quartz概述

quartz是一个用java实现的开源任务调度框架,可以用来创建简单或者复杂的任务调度,并且可以提供许多企业级的功能,比如JTA以及集群等,是当今比较流行的JAVA任务调度框架。

1. 可以用来做什么

Quartz是一个任务调度框架,当遇到以下问题时:

  • 想在每月25号,自动还款;
  • 想在每年4月1日给当年自己暗恋的女神发一封匿名贺卡;
  • 想每隔1小时,备份一下自己的各种资料。

那么总结起来就是,在一个有规律的时间点做一些事情,并且这个规律可以非常复杂,复杂到了需要一个框架来帮助我们。Quartz的出现就是为了解决这个问题,定义一个触发条件,那么其负责到了特定的时间点,触发相应的job干活。

2. 特点

  • 强大的调度功能,例如丰富多样的调度方法,可以满足各种常规和特殊需求;
  • 灵活的应用方式,比如支持任务调度和任务的多种组合,支持数据的多种存储(DB,RAM等;
  • 支持分布式集群,在被Terracotta收购之后,在原来基础上进行了进一步的改造。

二、quartz基本原理

1. 核心元素

Quartz核心要素有Scheduler、Trigger、Job、JobDetail,其中trigger和job、jobDetail为元数据,而Scheduler为实际进行调度的控制器。

  • Trigger

Trigger用于定义调度任务的时间规则,在Quartz中主要有四种类型的Trigger:SimpleTrigger、CronTrigger、DataIntervalTrigger和NthIncludedTrigger。

  • Job&Jodetail

Quartz将任务分为Job、JobDetail两部分,其中Job用来定义任务的执行逻辑,而JobDetail用来描述Job的定义(例如Job接口的实现类以及其他相关的静态信息)。对Quartz而言,主要有两种类型的Job,StateLessJob、StateFulJob

  • Scheduler

实际执行调度逻辑的控制器,Quartz提供了DirectSchedulerFactory和StdSchedulerFactory等工厂类,用于支持Scheduler相关对象的产生。

2. 核心元素间关系

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3. 主要线程

在Quartz中,有两类线程,也即执行线程和调度线程,其中执行任务的线程通常用一个线程池维护。线程间关系如图所示。

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在quartz中,Scheduler调度线程主要有两个:regular Scheduler Thread(执行常规调度)和Misfire Scheduler Thread(执行错失的任务)。其中Regular Thread 轮询Trigger,如果有将要触发的Trigger,则从任务线程池中获取一个空闲线程,然后执行与改Trigger关联的job;Misfire Thraed则是扫描所有的trigger,查看是否有错失的,如果有的话,根据一定的策略进行处理。

4. 数据存储

Quartz中的trigger和job需要存储下来才能被使用。Quartz中有两种存储方式:RAMJobStore,JobStoreSupport,其中RAMJobStore是将trigger和job存储在内存中,而JobStoreSupport是基于jdbc将trigger和job存储到数据库中。RAMJobStore的存取速度非常快,但是由于其在系统被停止后所有的数据都会丢失,所以在集群应用中,必须使用JobStoreSupport。其中表结构如表所示。

Table name

Description

QRTZ_CALENDARS

存储Quartz的Calendar信息

QRTZ_CRON_TRIGGERS

存储CronTrigger,包括Cron表达式和时区信息

QRTZ_FIRED_TRIGGERS

存储与已触发的Trigger相关的状态信息,以及相联Job的执行信息

QRTZ_PAUSED_TRIGGER_GRPS

存储已暂停的Trigger组的信息

QRTZ_SCHEDULER_STATE

存储少量的有关Scheduler的状态信息,和别的Scheduler实例

QRTZ_LOCKS

存储程序的悲观锁的信息

QRTZ_JOB_DETAILS

存储每一个已配置的Job的详细信息

QRTZ_SIMPLE_TRIGGERS

存储简单的Trigger,包括重复次数、间隔、以及已触的次数

QRTZ_BLOG_TRIGGERS

Trigger作为Blob类型存储

QRTZ_TRIGGERS

存储已配置的Trigger的信息

QRTZ_SIMPROP_TRIGGERS

三、quartz集群原理

一个Quartz集群中的每个节点是一个独立的Quartz应用,它又管理着其他的节点。这就意味着你必须对每个节点分别启动或停止。Quartz集群中,独立的Quartz节点并不与另一其的节点或是管理节点通信,而是通过相同的数据库表来感知到另一Quartz应用的,如图所示。

img

四、quartz主要流程

1. 启动流程

若quartz是配置在spring中,当服务器启动时,就会装载相关的bean。SchedulerFactoryBean实现了InitializingBean接口,因此在初始化bean的时候,会执行afterPropertiesSet方法,该方法将会调用SchedulerFactory(DirectSchedulerFactory 或者 StdSchedulerFactory,通常用StdSchedulerFactory)创建Scheduler。SchedulerFactory在创建quartzScheduler的过程中,将会读取配置参数,初始化各个组件,关键组件如下:

  1. ThreadPool:一般是使用SimpleThreadPool,SimpleThreadPool创建了一定数量的WorkerThread实例来使得Job能够在线程中进行处理。WorkerThread是定义在SimpleThreadPool类中的内部类,它实质上就是一个线程。在SimpleThreadPool中有三个list:workers-存放池中所有的线程引用,availWorkers-存放所有空闲的线程,busyWorkers-存放所有工作中的线程; 线程池的配置参数如下所示: org.quartz.threadPool.class=org.quartz.simpl.SimpleThreadPool org.quartz.threadPool.threadCount=3 org.quartz.threadPool.threadPriority=5
  2. JobStore:分为存储在内存的RAMJobStore和存储在数据库的JobStoreSupport(包括JobStoreTX和JobStoreCMT两种实现,JobStoreCMT是依赖于容器来进行事务的管理,而JobStoreTX是自己管理事务),若要使用集群要使用JobStoreSupport的方式;
  3. QuartzSchedulerThread:用来进行任务调度的线程,在初始化的时候paused=true,halted=false,虽然线程开始运行了,但是paused=true,线程会一直等待,直到start方法将paused置为false;

另外,SchedulerFactoryBean还实现了SmartLifeCycle接口,因此初始化完成后,会执行start()方法,该方法将主要会执行以下的几个动作:

  1. 创建ClusterManager线程并启动线程:该线程用来进行集群故障检测和处理,将在下文详细讨论;
  2. 创建MisfireHandler线程并启动线程:该线程用来进行misfire任务的处理,将在下文详细讨论;
  3. 置QuartzSchedulerThread的paused=false,调度线程才真正开始调度;

Quartz的整个启动流程如图所示。

img

2. QuartzSchedulerThread线程

QuartzSchedulerThread线程是实际执行任务调度的线程,其中主要代码如下。

while (!halted.get()) {
    int availThreadCount = qsRsrcs.getThreadPool().blockForAvailableThreads();
    triggers = qsRsrcs.getJobStore().acquireNextTriggers(now + idleWaitTime,
            Math.min(availThreadCount, qsRsrcs.getMaxBatchSize()), qsRsrcs.getBatchTimeWindow());
    long triggerTime = triggers.get().getNextFireTime().getTime();
    long timeUntilTrigger = triggerTime - now;
    while (timeUntilTrigger > ) {
        now = System.currentTimeMillis();
        timeUntilTrigger = triggerTime - now;
    }
    List<TriggerFiredResult> bndle = qsRsrcs.getJobStore().triggersFired(triggers);
    for (int i = ; i < res.size(); i++) {
        JobRunShell shell = qsRsrcs.getJobRunShellFactory().createJobRunShell(bndle);
        shell.initialize(qs);
        qsRsrcs.getThreadPool().runInThread(shell);
    }
}
  1. 先获取线程池中的可用线程数量(若没有可用的会阻塞,直到有可用的);
  2. 获取30m内要执行的trigger(即acquireNextTriggers): 获取trigger的锁,通过select …for update方式实现;获取30m内(可配置)要执行的triggers(需要保证集群节点的时间一致),若@ConcurrentExectionDisallowed且列表存在该条trigger则跳过,否则更新trigger状态为ACQUIRED(刚开始为WAITING);插入firedTrigger表,状态为ACQUIRED;(注意:在RAMJobStore中,有个timeTriggers,排序方式是按触发时间nextFireTime排的;JobStoreSupport从数据库取出triggers时是按照nextFireTime排序);
  3. 等待直到获取的trigger中最先执行的trigger在2ms内;
  4. triggersFired:
  5. 更新firedTrigger的status=EXECUTING;
  6. 更新trigger下一次触发的时间;
  7. 更新trigger的状态:无状态的trigger->WAITING,有状态的trigger->BLOCKED,若nextFireTime==null ->COMPLETE;
  8. commit connection,释放锁;
  9. 针对每个要执行的trigger,创建JobRunShell,并放入线程池执行:
  10. execute:执行job
  11. 获取TRIGGER_ACCESS锁
  12. 若是有状态的job:更新trigger状态:BLOCKED->WAITING,PAUSED_BLOCKED->BLOCKED
  13. 若@PersistJobDataAfterExecution,则updateJobData
  14. 删除firedTrigger
  15. commit connection,释放锁

调度线程的执行流程如图所示。

img

调度过程中Trigger状态变化如图所示。

img

3. MisfireHandler线程

下面这些原因可能造成 misfired job:

  1. 系统因为某些原因被重启。在系统关闭到重新启动之间的一段时间里,可能有些任务会被 misfire;
  2. Trigger 被暂停(suspend)的一段时间里,有些任务可能会被 misfire;
  3. 线程池中所有线程都被占用,导致任务无法被触发执行,造成 misfire;
  4. 有状态任务在下次触发时间到达时,上次执行还没有结束;为了处理 misfired job,Quartz 中为 trigger 定义了处理策略,主要有下面两种:
  • MISFIRE_INSTRUCTION_FIRE_ONCE_NOW:针对 misfired job 马上执行一次;
  • MISFIRE_INSTRUCTION_DO_NOTHING:忽略 misfired job,等待下次触发;默认是MISFIRE_INSTRUCTION_SMART_POLICY,该策略在CronTrigger中=MISFIRE_INSTRUCTION_FIRE_ONCE_NOW线程默认1分钟执行一次;在一个事务中,默认一次最多recovery 20个;

执行流程:

  1. 若配置(默认为true,可配置)成获取锁前先检查是否有需要recovery的trigger,先获取misfireCount;
  2. 获取TRIGGER_ACCESS锁;
  3. hasMisfiredTriggersInState:获取misfired的trigger,默认一个事务里只能最大20个misfired trigger(可配置),misfired判断依据:status=waiting,next_fire_time < current_time-misfirethreshold(可配置,默认1min)
  4. notifyTriggerListenersMisfired
  5. updateAfterMisfire:获取misfire策略(默认是MISFIRE_INSTRUCTION_SMART_POLICY,该策略在CronTrigger中=MISFIRE_INSTRUCTION_FIRE_ONCE_NOW),根据策略更新nextFireTime;
  6. 将nextFireTime等更新到trigger表;
  7. commit connection,释放锁8.如果还有更多的misfired,sleep短暂时间(为了集群负载均衡),否则sleep misfirethreshold时间,后继续轮询;

misfireHandler线程执行流程如图所示:

img

4. ClusterManager集群管理线程

初始化:

failedInstance=failed+self+firedTrigger表中的schedulerName在scheduler_state表中找不到的(孤儿)

线程执行:

每个服务器会定时(org.quartz.jobStore.clusterCheckinInterval这个时间)更新SCHEDULER_STATE表的LAST_CHECKIN_TIME,若这个字段远远超出了该更新的时间,则认为该服务器实例挂了;

注意:每个服务器实例有唯一的id,若配置为AUTO,则为hostname+current_time

线程执行的具体流程:

  1. 检查是否有超时的实例failedInstances;
  2. 更新该服务器实例的LAST_CHECKIN_TIME; 若有超时的实例:
  3. 获取STATE_ACCESS锁;
  4. 获取超时的实例failedInstances;
  5. 获取TRIGGER_ACCESS锁;
  6. clusterRecover:
  • 针对每个failedInstances,通过instanceId获取每个实例的firedTriggers;
  • 针对每个firedTrigger:
    • 更新trigger状态:
    • BLOCKED->WAITING
    • PAUSED_BLOCKED->PAUSED
    • ACQUIRED->WAITING
    • 若firedTrigger不是ACQUIRED状态(在执行状态),且jobRequestRecovery=true: 创建一个SimpleTrigger,存储到trigger表,status=waiting,MISFIRE_INSTR=MISFIRE_INSTRUCTION_IGNORE_MISFIRE_POLICY.
    • 删除firedTrigger

clusterManager线程执行时序图如图1-8所示:

img

五、注意问题

  1. 时间同步问题

Quartz实际并不关心你是在相同还是不同的机器上运行节点。当集群放置在不同的机器上时,称之为水平集群。节点跑在同一台机器上时,称之为垂直集群。对于垂直集群,存在着单点故障的问题。这对高可用性的应用来说是无法接受的,因为一旦机器崩溃了,所有的节点也就被终止了。对于水平集群,存在着时间同步问题。

节点用时间戳来通知其他实例它自己的最后检入时间。假如节点的时钟被设置为将来的时间,那么运行中的Scheduler将再也意识不到那个结点已经宕掉了。另一方面,如果某个节点的时钟被设置为过去的时间,也许另一节点就会认定那个节点已宕掉并试图接过它的Job重运行。最简单的同步计算机时钟的方式是使用某一个Internet时间服务器(Internet Time Server ITS)。

  1. 节点争抢Job问题

因为Quartz使用了一个随机的负载均衡算法,Job以随机的方式由不同的实例执行。Quartz官网上提到当前,还不存在一个方法来指派(钉住) 一个 Job 到集群中特定的节点。

  1. 从集群获取Job列表问题

当前,如果不直接进到数据库查询的话,还没有一个简单的方式来得到集群中所有正在执行的Job列表。请求一个Scheduler实例,将只能得到在那个实例上正运行Job的列表。Quartz官网建议可以通过写一些访问数据库JDBC代码来从相应的表中获取全部的Job信息。

原文发布于微信公众号 - 程序猿杂货铺(zhoudl_l)

原文发表时间:2019-01-15

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