解析Java中的定时器及使用定时器制作弹弹球游戏的示例

在我们编程过程中如果需要执行一些简单的定时任务，无须做复杂的控制，我们可以考虑使用JDK中的Timer定时任务来实现。下面LZ就其原理、实例以及Timer缺陷三个方面来解析java Timer定时器。

一、简介
      在java中一个完整定时任务需要由Timer、TimerTask两个类来配合完成。 API中是这样定义他们的，Timer：一种工具，线程用其安排以后在后台线程中执行的任务。可安排任务执行一次，或者定期重复执行。由TimerTask：Timer 安排为一次执行或重复执行的任务。我们可以这样理解Timer是一种定时器工具，用来在一个后台线程计划执行指定任务，而TimerTask一个抽象类，它的子类代表一个可以被Timer计划的任务。
Timer类
      在工具类Timer中，提供了四个构造方法，每个构造方法都启动了计时器线程，同时Timer类可以保证多个线程可以共享单个Timer对象而无需进行外部同步，所以Timer类是线程安全的。但是由于每一个Timer对象对应的是单个后台线程，用于顺序执行所有的计时器任务，一般情况下我们的线程任务执行所消耗的时间应该非常短，但是由于特殊情况导致某个定时器任务执行的时间太长，那么他就会“独占”计时器的任务执行线程，其后的所有线程都必须等待它执行完，这就会延迟后续任务的执行，使这些任务堆积在一起，具体情况我们后面分析。
      当程序初始化完成Timer后，定时任务就会按照我们设定的时间去执行，Timer提供了schedule方法，该方法有多中重载方式来适应不同的情况，如下：
      schedule(TimerTask task, Date time)：安排在指定的时间执行指定的任务。
      schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period) ：安排指定的任务在指定的时间开始进行重复的固定延迟执行。
      schedule(TimerTask task, long delay) ：安排在指定延迟后执行指定的任务。
      schedule(TimerTask task, long delay, long period) ：安排指定的任务从指定的延迟后开始进行重复的固定延迟执行。
      同时也重载了scheduleAtFixedRate方法，scheduleAtFixedRate方法与schedule相同，只不过他们的侧重点不同，区别后面分析。
      scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime, long period)：安排指定的任务在指定的时间开始进行重复的固定速率执行。
      scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period)：安排指定的任务在指定的延迟后开始进行重复的固定速率执行。
TimerTask
      TimerTask类是一个抽象类，由Timer 安排为一次执行或重复执行的任务。它有一个抽象方法run()方法，该方法用于执行相应计时器任务要执行的操作。因此每一个具体的任务类都必须继承TimerTask，然后重写run()方法。
      另外它还有两个非抽象的方法：
      boolean cancel()：取消此计时器任务。
      long scheduledExecutionTime()：返回此任务最近实际执行的安排执行时间。

二、实例
2.1、指定延迟时间执行定时任务

public class TimerTest01 {
 Timer timer;
 public TimerTest01(int time){
  timer = new Timer();
  timer.schedule(new TimerTaskTest01(), time * 1000);
 } 

 public static void main(String[] args) {
  System.out.println("timer begin....");
  new TimerTest01(3);
 }
} 

public class TimerTaskTest01 extends TimerTask{ 

 public void run() {
  System.out.println("Time's up!!!!");
 }
}

运行结果：

首先打印：

timer begin....

3秒后打印：

Time's up!!!!

2.2、在指定时间执行定时任务

public class TimerTest02 {
 Timer timer; 

 public TimerTest02(){
  Date time = getTime();
  System.out.println("指定时间time=" + time);
  timer = new Timer();
  timer.schedule(new TimerTaskTest02(), time);
 } 

 public Date getTime(){
  Calendar calendar = Calendar.getInstance();
  calendar.set(Calendar.HOUR_OF_DAY, 11);
  calendar.set(Calendar.MINUTE, 39);
  calendar.set(Calendar.SECOND, 00);
  Date time = calendar.getTime(); 

  return time;
 } 

 public static void main(String[] args) {
  new TimerTest02();
 }
} 

public class TimerTaskTest02 extends TimerTask{ 

 @Override
 public void run() {
  System.out.println("指定时间执行线程任务...");
 }
}

当时间到达11:39:00时就会执行该线程任务，当然大于该时间也会执行！！执行结果为：

指定时间time=Tue Jun 10 11:39:00 CST 2014
指定时间执行线程任务...

2.3、在延迟指定时间后以指定的间隔时间循环执行定时任务

public class TimerTest03 {
 Timer timer; 

 public TimerTest03(){
  timer = new Timer();
  timer.schedule(new TimerTaskTest03(), 1000, 2000);
 } 

 public static void main(String[] args) {
  new TimerTest03();
 }
} 

public class TimerTaskTest03 extends TimerTask{ 

 @Override
 public void run() {
  Date date = new Date(this.scheduledExecutionTime());
  System.out.println("本次执行该线程的时间为：" + date);
 }
}

运行结果:

本次执行该线程的时间为：Tue Jun 10 21:19:47 CST 2014
本次执行该线程的时间为：Tue Jun 10 21:19:49 CST 2014
本次执行该线程的时间为：Tue Jun 10 21:19:51 CST 2014
本次执行该线程的时间为：Tue Jun 10 21:19:53 CST 2014
本次执行该线程的时间为：Tue Jun 10 21:19:55 CST 2014
本次执行该线程的时间为：Tue Jun 10 21:19:57 CST 2014
.................

对于这个线程任务,如果我们不将该任务停止,他会一直运行下去。
      对于上面三个实例，LZ只是简单的演示了一下，同时也没有讲解scheduleAtFixedRate方法的例子，其实该方法与schedule方法一样！
2.4、分析schedule和scheduleAtFixedRate
（1）schedule(TimerTask task, Date time)、schedule(TimerTask task, long delay)
      对于这两个方法而言，如果指定的计划执行时间scheduledExecutionTime<= systemCurrentTime，则task会被立即执行。scheduledExecutionTime不会因为某一个task的过度执行而改变。
（2）schedule(TimerTask task, Date firstTime, long period)、schedule(TimerTask task, long delay, long period)
      这两个方法与上面两个就有点儿不同的，前面提过Timer的计时器任务会因为前一个任务执行时间较长而延时。在这两个方法中，每一次执行的task的计划时间会随着前一个task的实际时间而发生改变，也就是scheduledExecutionTime(n+1)=realExecutionTime(n)+periodTime。也就是说如果第n个task由于某种情况导致这次的执行时间过程，最后导致systemCurrentTime>= scheduledExecutionTime(n+1)，这是第n+1个task并不会因为到时了而执行，他会等待第n个task执行完之后再执行，那么这样势必会导致n+2个的执行实现scheduledExecutionTime放生改变即scheduledExecutionTime(n+2) = realExecutionTime(n+1)+periodTime。所以这两个方法更加注重保存间隔时间的稳定。
（3）scheduleAtFixedRate(TimerTask task, Date firstTime, long period)、scheduleAtFixedRate(TimerTask task, long delay, long period)
      在前面也提过scheduleAtFixedRate与schedule方法的侧重点不同，schedule方法侧重保存间隔时间的稳定，而scheduleAtFixedRate方法更加侧重于保持执行频率的稳定。为什么这么说，原因如下。在schedule方法中会因为前一个任务的延迟而导致其后面的定时任务延时，而scheduleAtFixedRate方法则不会，如果第n个task执行时间过长导致systemCurrentTime>= scheduledExecutionTime(n+1)，则不会做任何等待他会立即执行第n+1个task，所以scheduleAtFixedRate方法执行时间的计算方法不同于schedule，而是scheduledExecutionTime(n)=firstExecuteTime +n*periodTime，该计算方法永远保持不变。所以scheduleAtFixedRate更加侧重于保持执行频率的稳定。

三、Timer的缺陷
3.1、Timer的缺陷
      Timer计时器可以定时（指定时间执行任务）、延迟（延迟5秒执行任务）、周期性地执行任务（每隔个1秒执行任务），但是，Timer存在一些缺陷。首先Timer对调度的支持是基于绝对时间的，而不是相对时间，所以它对系统时间的改变非常敏感。其次Timer线程是不会捕获异常的，如果TimerTask抛出的了未检查异常则会导致Timer线程终止，同时Timer也不会重新恢复线程的执行，他会错误的认为整个Timer线程都会取消。同时，已经被安排单尚未执行的TimerTask也不会再执行了，新的任务也不能被调度。故如果TimerTask抛出未检查的异常，Timer将会产生无法预料的行为。
（1）Timer管理时间延迟缺陷
      前面Timer在执行定时任务时只会创建一个线程任务，如果存在多个线程，若其中某个线程因为某种原因而导致线程任务执行时间过长，超过了两个任务的间隔时间，会发生一些缺陷：

public class TimerTest04 {
 private Timer timer;
 public long start;  

 public TimerTest04(){
  this.timer = new Timer();
  start = System.currentTimeMillis();
 } 

 public void timerOne(){
  timer.schedule(new TimerTask() {
   public void run() {
    System.out.println("timerOne invoked ,the time:" + (System.currentTimeMillis() - start));
    try {
     Thread.sleep(4000); //线程休眠3000
    } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
    }
   }
  }, 1000);
 } 

 public void timerTwo(){
  timer.schedule(new TimerTask() {
   public void run() {
    System.out.println("timerOne invoked ,the time:" + (System.currentTimeMillis() - start));
   }
  }, 3000);
 } 

 public static void main(String[] args) throws Exception {
  TimerTest04 test = new TimerTest04(); 

  test.timerOne();
  test.timerTwo();
 }
}

按照我们正常思路，timerTwo应该是在3s后执行，其结果应该是：

timerOne invoked ,the time:1001
timerOne invoked ,the time:3001

但是事与愿违，timerOne由于sleep(4000)，休眠了4S，同时Timer内部是一个线程，导致timeOne所需的时间超过了间隔时间，结果：

timerOne invoked ,the time:1000
timerOne invoked ,the time:5000

（2）Timer抛出异常缺陷
如果TimerTask抛出RuntimeException，Timer会终止所有任务的运行。如下：

public class TimerTest04 {
 private Timer timer; 

 public TimerTest04(){
  this.timer = new Timer();
 } 

 public void timerOne(){
  timer.schedule(new TimerTask() {
   public void run() {
    throw new RuntimeException();
   }
  }, 1000);
 } 

 public void timerTwo(){
  timer.schedule(new TimerTask() { 

   public void run() {
    System.out.println("我会不会执行呢？？");
   }
  }, 1000);
 } 

 public static void main(String[] args) {
  TimerTest04 test = new TimerTest04();
  test.timerOne();
  test.timerTwo();
 }
}

运行结果：timerOne抛出异常，导致timerTwo任务终止。

Exception in thread "Timer-0" java.lang.RuntimeException
 at com.chenssy.timer.TimerTest04$1.run(TimerTest04.java:25)
 at java.util.TimerThread.mainLoop(Timer.java:555)
 at java.util.TimerThread.run(Timer.java:505)

对于Timer的缺陷，我们可以考虑 ScheduledThreadPoolExecutor 来替代。Timer是基于绝对时间的，对系统时间比较敏感，而ScheduledThreadPoolExecutor 则是基于相对时间；Timer是内部是单一线程，而ScheduledThreadPoolExecutor内部是个线程池，所以可以支持多个任务并发执行。
3.2、用ScheduledExecutorService替代Timer
（1）解决问题一：

public class ScheduledExecutorTest {
 private ScheduledExecutorService scheduExec; 

 public long start; 

 ScheduledExecutorTest(){
  this.scheduExec = Executors.newScheduledThreadPool(2);
  this.start = System.currentTimeMillis();
 } 

 public void timerOne(){
  scheduExec.schedule(new Runnable() {
   public void run() {
    System.out.println("timerOne,the time:" + (System.currentTimeMillis() - start));
    try {
     Thread.sleep(4000);
    } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
    }
   }
  },1000,TimeUnit.MILLISECONDS);
 } 

 public void timerTwo(){
  scheduExec.schedule(new Runnable() {
   public void run() {
    System.out.println("timerTwo,the time:" + (System.currentTimeMillis() - start));
   }
  },2000,TimeUnit.MILLISECONDS);
 } 

 public static void main(String[] args) {
  ScheduledExecutorTest test = new ScheduledExecutorTest();
  test.timerOne();
  test.timerTwo();
 }
}

运行结果：

timerOne,the time:1003
timerTwo,the time:2005

（2）解决问题二

public class ScheduledExecutorTest {
 private ScheduledExecutorService scheduExec; 

 public long start; 

 ScheduledExecutorTest(){
  this.scheduExec = Executors.newScheduledThreadPool(2);
  this.start = System.currentTimeMillis();
 } 

 public void timerOne(){
  scheduExec.schedule(new Runnable() {
   public void run() {
    throw new RuntimeException();
   }
  },1000,TimeUnit.MILLISECONDS);
 } 

 public void timerTwo(){
  scheduExec.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
   public void run() {
    System.out.println("timerTwo invoked .....");
   }
  },2000,500,TimeUnit.MILLISECONDS);
 } 

 public static void main(String[] args) {
  ScheduledExecutorTest test = new ScheduledExecutorTest();
  test.timerOne();
  test.timerTwo();
 }
}

运行结果：

timerTwo invoked .....
timerTwo invoked .....
timerTwo invoked .....
timerTwo invoked .....
timerTwo invoked .....
timerTwo invoked .....
timerTwo invoked .....
timerTwo invoked .....
timerTwo invoked .....
........................

四、使用定时器实现弹弹球
模拟书上的一个例题做了一个弹弹球，是在画布上的指定位置画多个圆，经过一段的延时后，在附近位置重新画。使球看起来是动，通过JSpinner组件调节延时，来控制弹弹球的移动速度.
        BallsCanvas.java

public class BallsCanvas extends Canvas implements ActionListener,
  FocusListener { 

 private Ball balls[]; // 多个球
 private Timer timer; 

 private static class Ball {
  int x, y; // 坐标
  Color color; // 颜色
  boolean up, left; // 运动方向 

  Ball(int x, int y, Color color) {
   this.x = x;
   this.y = y;
   this.color = color;
   up = left = false;
  }
 } 

 public BallsCanvas(Color colors[], int delay) { // 初始化颜色、延时
  this.balls = new Ball[colors.length];
  for (int i = 0, x = 40; i < colors.length; i++, x += 40) {
   balls[i] = new Ball(x, x, colors[i]);
  }
  this.addFocusListener(this);
  timer = new Timer(delay, this); // 创建定时器对象，delay指定延时
  timer.start(); 

 } 

 // 设置延时
 public void setDelay(int delay) {
  timer.setDelay(delay);
 } 

 // 在canvas上面作画
 public void paint(Graphics g) {
  for (int i = 0; i < balls.length; i++) {
   g.setColor(balls[i].color); // 设置颜色
   balls[i].x = balls[i].left ? balls[i].x - 10 : balls[i].x + 10;
   if (balls[i].x < 0 || balls[i].x >= this.getWidth()) { // 到水平方向更改方向
    balls[i].left = !balls[i].left;
   } 

   balls[i].y = balls[i].up ? balls[i].y - 10 : balls[i].y + 10;
   if (balls[i].y < 0 || balls[i].y >= this.getHeight()) { // 到垂直方向更改方向
    balls[i].up = !balls[i].up;
   }
   g.fillOval(balls[i].x, balls[i].y, 20, 20); // 画指定直径的圆
  }
 } 

 // 定时器定时执行事件
 @Override
 public void actionPerformed(ActionEvent e) {
  repaint(); // 重画
 } 

 // 获得焦点
 @Override
 public void focusGained(FocusEvent e) {
  timer.stop(); // 定时器停止 

 } 

 // 失去焦点
 @Override
 public void focusLost(FocusEvent e) {
  timer.restart(); // 定时器重启动 

 }
}

BallsJFrame.java

class BallsJFrame extends JFrame implements ChangeListener { 

  private BallsCanvas ball;
  private JSpinner spinner; 

  public BallsJFrame() {
   super("弹弹球");
   this.setBounds(300, 200, 480, 360);
   this.setDefaultCloseOperation(EXIT_ON_CLOSE);
   Color colors[] = { Color.red, Color.green, Color.blue,
     Color.magenta, Color.cyan };
   ball = new BallsCanvas(colors, 100);
   this.getContentPane().add(ball); 

   JPanel panel = new JPanel();
   this.getContentPane().add(panel, "South");
   panel.add(new JLabel("Delay"));
   spinner = new JSpinner();
   spinner.setValue(100);
   panel.add(spinner);
   spinner.addChangeListener(this);
   this.setVisible(true);
  } 

  @Override
  public void stateChanged(ChangeEvent e) {
   // 修改JSpinner值时，单击JSpinner的Up或者down按钮时，或者在JSpinner中按Enter键
   ball.setDelay(Integer.parseInt("" + spinner.getValue())); 

  } 

 public static void main(String[] args) {
  new BallsJFrame();
 } 

}

效果如下：