深入 DelayQueue 内部实现
2018-01-08 本文已影响76人
给你添麻烦了
如果要提及使用 java 的程序员最幸福（e xin）的事情的话，其中一定有 java 对于并发全面的支持所带来的便利了（fu za）
Doug Lea 提供的 JUC 包自从 jdk1.7 开始就提供了大量的阻塞队列供我们使用，其中比较特别的就有延迟阻塞队列。
阻塞队列
阻塞队列（BlockingQueue）是一个支持两个附加操作的队列。这两个附加的操作是：在队列为空时，获取元素的线程会等待队列变为非空。当队列满时，存储元素的线程会等待队列可用。阻塞队列常用于生产者和消费者的场景，生产者是往队列里添加元素的线程，消费者是从队列里拿元素的线程。阻塞队列就是生产者存放元素的容器，而消费者也只从容器里拿元素。下面是 java 常见的阻塞队列。
- ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
- LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
- PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
- DelayQueue：一个使用优先级队列实现的无界阻塞队列。
- SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
- LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
- LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。
延迟阻塞队列
延迟阻塞队列就是在阻塞队列的基础上提供了延迟获取任务的功能。先用一个例子来了解延迟阻塞队列的用法。
import java.time.Instant;
import java.time.LocalDateTime;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* 延迟队列示例
*/
public class DelayQueueTester {
private static DelayQueue<DelayTask> delayQueue = new DelayQueue<>();
static class DelayTask implements Delayed {
// 延迟时间
private final long delay;
// 到期时间
private final long expire;
// 数据
private final String msg;
// 创建时间
private final long now;
/**
* 初始化 DelayTask 对象
*
* @param delay 延迟时间 单位：微妙
* @param msg 业务信息
*/
DelayTask(long delay, String msg) {
this.delay = delay; // 延迟时间
this.msg = msg; // 业务信息
this.now = Instant.now().toEpochMilli();
this.expire = now + delay; // 到期时间 = 当前时间+延迟时间
}
/**
* 获取延迟时间
*
* @param unit 单位对象
* @return
*/
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(expire - Instant.now().toEpochMilli(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
/**
* 比较器
* 比较规则：延迟时间越长的对象越靠后
*
* @param o
* @return
*/
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
if (o == this) // compare zero ONLY if same object
return 0;
return (int) (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
}
@Override
public String toString() {
return "DelayTask{" +
"delay=" + delay +
", expire=" + expire +
", msg='" + msg + '\'' +
", now=" + now +
'}';
}
}
/**
* 生产者线程
*
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
initConsumer();
try {
// 等待消费者初始化完毕
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
delayQueue.add(new DelayTask(1000, "Task1"));
delayQueue.add(new DelayTask(2000, "Task2"));
delayQueue.add(new DelayTask(3000, "Task3"));
delayQueue.add(new DelayTask(4000, "Task4"));
delayQueue.add(new DelayTask(5000, "Task5"));
}
/**
* 初始化消费者线程
*/
private static void initConsumer() {
Runnable task = () -> {
while (true) {
try {
System.out.println("尝试获取延迟队列中的任务。" + LocalDateTime.now());
System.out.println(delayQueue.take());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
Thread consumer = new Thread(task);
consumer.start();
}
}
---
尝试获取延迟队列中的任务。2017-04-05T18:28:03.282
DelayTask{delay=1000, expire=1491388087234, msg='Task1', now=1491388086234}
尝试获取延迟队列中的任务。2017-04-05T18:28:07.235
DelayTask{delay=2000, expire=1491388088235, msg='Task2', now=1491388086235}
尝试获取延迟队列中的任务。2017-04-05T18:28:08.237
DelayTask{delay=3000, expire=1491388089235, msg='Task3', now=1491388086235}
尝试获取延迟队列中的任务。2017-04-05T18:28:09.237
DelayTask{delay=4000, expire=1491388090235, msg='Task4', now=1491388086235}
尝试获取延迟队列中的任务。2017-04-05T18:28:10.240
DelayTask{delay=5000, expire=1491388091235, msg='Task5', now=1491388086235}
尝试获取延迟队列中的任务。2017-04-05T18:28:11.240
上面的例子中当队列中没有元素时，消费者阻塞在 take 方法上面。直到队列中添加进延迟任务并且满足延时任务时，任务被成功取出。
DelayQueue 实现原理
理解 DelayQueue 实现原理最好的办法是从 take方法与 add 方法入手。
take
/**
* Retrieves and removes the head of this queue, waiting if necessary
* until an element with an expired delay is available on this queue.
*
* @return the head of this queue
* @throws InterruptedException {@inheritDoc}
*/
public E take() throws InterruptedException {
// 获取锁。每个延迟队列内聚了一个重入锁。
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 获取可中断的锁。
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
// 尝试从优先级队列中获取队列头部元素
E first = q.peek();
if (first == null)
// 无元素，当前线程节点加入等待队列，并阻塞当前线程
available.await();
else {
// 通过延迟任务的 getDelay 方法获取延迟时间
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
// 延迟时间到期，获取并删除头部元素。
return q.poll();
first = null; // don't retain ref while waiting
if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
// 线程节点进入等待队列 x 纳秒。
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
// 若还存在元素的话，则将等待队列头节点中的线程节点移动到同步队列中。
if (leader == null && q.peek() != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}
add
/**
* Inserts the specified element into this delay queue.
*
* @param e the element to add
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
* @throws NullPointerException if the specified element is null
*/
public boolean add(E e) {
return offer(e);
}
/**
* Inserts the specified element into this delay queue.
*
* @param e the element to add
* @return {@code true}
* @throws NullPointerException if the specified element is null
*/
public boolean offer(E e) {
// 获取到重入锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
q.offer(e);
// 添加成功元素
if (q.peek() == e) {
leader = null;
// 将等待队列中的头节点移动到同步队列。
available.signal();
}
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
DelayQueue 的主要成员
public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E> {
// 持有内部重入锁。
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 优先级队列，存放工作任务。
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
private Thread leader = null;
// 依赖于重入锁的 condition。
private final Condition available = lock.newCondition();
}
如果你具备 JUC 包中的 Lock 接口以及同步队列器的相关知识，上述代码大部分应该都比较容易理解。DelayQueue 将实现了 Delayed 接口的对象添加到优先级队列中，通过在依赖内聚重入锁的 Condition 上调用 await(delayTime) 方法，实现了延迟获取阻塞队列中元素的功能。相关的细节请参考代码段中的中文注释。
若你对相关的同步队列器的知识还不够熟悉，请参考我的博客中关于《AQS 锁》系列的相关文章。
DelayQueue 的难点在于【LF designPattern (跟随者设计模式)】的运用。由于 DelayQueue 的主要功能实现与 LF 设计模式关系不大，故本章节不涉及这方面的内容。如果你对这方面的知识有兴趣，请参考
《Pattern-Oriented Software Architecture》软件架构设计模式的系列书籍。
总结
- DelayQueue 是一个内部依靠 AQS 队列同步器所实现的无界延迟阻塞队列。
- 延迟对象需要覆盖 getDelay 与 compareTo 方法，并且要注意 getDelay 的时间单位的统一，以及 compareTo 根据业务逻辑进行合理的比较逻辑重写。
- DelayQueue 中内聚的重入锁是非公平的。
- DelayQueue 是实现定时任务的关键。下一章将通过定时任务的讲解再次回顾 DelayQueue。
