一、DelayQueue简介
DelayQueue是JDK1.5时，随着J.U.C包一起引入的一种阻塞队列，它实现了BlockingQueue接口，底层基于已有的 PriorityBlockingQueue 实现：
DelayQueue也是一种比较特殊的阻塞队列，从类声明也可以看出，DelayQueue中的所有元素必须实现Delayed接口：
/**
* 一种混合风格的接口，用来标记那些应该在给定延迟时间之后执行的对象。
* <p>
* 此接口的实现必须定义一个 compareTo 方法，该方法提供与此接口的 getDelay 方法一致的排序。
*/
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
/**
* 返回与此对象相关的剩余有效时间，以给定的时间单位表示.
*/
long getDelay(TimeUnit unit);
}
可以看到，Delayed接口除了自身的getDelay方法外，还实现了 Comparable 接口。getDelay方法用于返回对象的剩余有效时间，实现Comparable接口则是为了能够比较两个对象，以便排序。
也就是说，如果一个类实现了Delayed接口，当创建该类的对象并添加到DelayQueue中后， 只有当该对象的getDalay方法返回的剩余时间≤0时才会出队 。
另外，由于DelayQueue内部委托了PriorityBlockingQueue对象来实现所有方法，所以能以堆的结构维护元素顺序，这样剩余时间最小的元素就在堆顶， 每次出队其实就是删除剩余时间≤0的最小元素 。
DelayQueue的特点简要概括如下：
- DelayQueue是无界阻塞队列；
- 队列中的元素必须实现Delayed接口，元素过期后才会从队列中取走；
二、DelayQueue示例
为了便于理解DelayQueue的功能，我们先来看一个使用DelayQueue的示例。
队列元素
第一节说了，队列元素必须实现Delayed接口，我们先来定义一个 Data 类，作为队列元素：
public class Data implements Delayed {
private static final AtomicLong atomic = new AtomicLong(0);
private static final DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss-n");
// 数据的失效时间点
private final long time;
// 序号
private final long seqno;
/**
* @param deadline 数据失效时间点
*/
public Data(long deadline) {
this.time = deadline;
this.seqno = atomic.getAndIncrement();
}
/**
* 返回剩余有效时间
*
* @param unit 时间单位
*/
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(this.time - System.nanoTime(), TimeUnit.NANOSECONDS);
}
/**
* 比较两个Delayed对象的大小, 比较顺序如下:
* 1. 如果是对象本身, 返回0;
* 2. 比较失效时间点, 先失效的返回-1,后失效的返回1;
* 3. 比较元素序号, 序号小的返回-1, 否则返回1.
* 4. 非Data类型元素, 比较剩余有效时间, 剩余有效时间小的返回-1,大的返回1,相同返回0
*/
@Override
public int compareTo(Delayed other) {
if (other == this) // compare zero if same object
return 0;
if (other instanceof Data) {
Data x = (Data) other;
// 优先比较失效时间
long diff = this.time - x.time;
if (diff < 0)
return -1;
else if (diff > 0)
return 1;
else if (this.seqno < x.seqno) // 剩余时间相同则比较序号
return -1;
else
return 1;
}
// 一般不会执行到此处，除非元素不是Data类型
long diff = this.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS);
return (diff < 0) ? -1 : (diff > 0) ? 1 : 0;
}
@Override
public String toString() {
return "Data{" +
"time=" + time +
", seqno=" + seqno +
"}, isValid=" + isValid();
}
private boolean isValid() {
return this.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) > 0;
}
}
关于队列元素 Data 类，需要注意以下几点：
- 每个元素的
time字段保存失效时间点）的纳秒形式（构造时指定，比如当前时间+60s）； seqno字段表示元素序号，每个元素唯一，仅用于失效时间点一致的元素之间的比较。getDelay方法返回元素的剩余有效时间，可以根据入参的 TimeUnit 选择时间的表示形式（秒、微妙、纳秒等），一般选择纳秒以提高精度；compareTo方法用于比较两个元素的大小，以便在队列中排序。由于DelayQueue基于优先级队列实现，所以内部是“堆”的形式，我们定义的规则是先失效的元素将先出队，所以先失效元素应该在堆顶，即compareTo方法返回结果<0的元素优先出队；
生产者-消费者
还是以“生产者-消费者”模式来作为DelayQueued的示例：
生产者
public class Producer implements Runnable {
private final DelayQueue<Data> queue;
public Producer(DelayQueue<Data> queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
long currentTime = System.nanoTime();
long validTime = ThreadLocalRandom.current().nextLong(1000000000L, 7000000000L);
Data data = new Data(currentTime + validTime);
queue.put(data);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": put " + data);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
消费者
public class Consumer implements Runnable {
private final DelayQueue<Data> queue;
public Consumer(DelayQueue<Data> queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
Data data = queue.take();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": take " + data);
Thread.yield();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
调用
public class Main {
public static void main(String[] args) {
DelayQueue<Data> queue = new DelayQueue<>();
Thread c1 = new Thread(new Consumer(queue), "consumer-1");
Thread p1 = new Thread(new Producer(queue), "producer-1");
c1.start();
p1.start();
}
}
执行结果：
producer-1: put Data{time=73262562161592, seqno=0}, isValid=true
producer-1: put Data{time=73262787192726, seqno=1}, isValid=true
producer-1: put Data{time=73265591291171, seqno=2}, isValid=true
producer-1: put Data{time=73266850330909, seqno=3}, isValid=true
consumer-1: take Data{time=73262562161592, seqno=0}, isValid=false
consumer-1: take Data{time=73262787192726, seqno=1}, isValid=false
producer-1: put Data{time=73267928737184, seqno=4}, isValid=true
producer-1: put Data{time=73265083111776, seqno=5}, isValid=true
producer-1: put Data{time=73268729942809, seqno=6}, isValid=true
consumer-1: take Data{time=73265083111776, seqno=5}, isValid=false
上面示例中，我们创建了一个生产者，一个消费者，生产者不断得入队元素，每个元素都会有个截止有效期；消费者不断得从队列者获取元素。从输出可以看出，消费者每次获取到的元素都是有效期最小的，且都是已经失效了的。（因为DelayQueue每次出队只会删除有效期最小且已经过期的元素）
三、DelayQueue原理
介绍完了DelayQueued的基本使用，读者应该对该阻塞队列的功能有了基本了解，接下来我们看下Doug Lea是如何实现DelayQueued的。
构造
DelayQueued提供了两种构造器，都非常简单：
/**
* 默认构造器.
*/
public DelayQueue() {
}
/**
* 从已有集合构造队列.
*/
public DelayQueue(Collection<? extends E> c) {
this.addAll(c);
}
可以看到，内部的 PriorityQueue 并非在构造时创建，而是对象创建时生成：
public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E> {
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
/**
* leader线程是首个尝试出队元素（队列不为空）但被阻塞的线程.
* 该线程会限时等待（队首元素的剩余有效时间），用于唤醒其它等待线程
*/
private Thread leader = null;
/**
* 出队线程条件队列, 当有多个线程, 会在此条件队列上等待.
*/
private final Condition available = lock.newCondition();
//...
}
上述比较特殊的是leader字段，我们之前已经说过，DelayQueue每次只会出队一个过期的元素，如果队首元素没有过期，就会阻塞出队线程，让线程在available这个条件队列上无限等待。
为了提升性能，DelayQueue并不会让所有出队线程都无限等待，而是用leader保存了第一个尝试出队的线程，该线程的等待时间是队首元素的剩余有效期。这样，一旦leader线程被唤醒（此时队首元素也失效了），就可以出队成功，然后唤醒一个其它在available条件队列上等待的线程。之后，会重复上一步，新唤醒的线程可能取代成为新的leader线程。这样，就避免了无效的等待，提升了性能。这其实是一种名为“Leader-Follower pattern”的多线程设计模式。
入队——put
put 方法没有什么特别，由于是无界队列，所以也不会阻塞线程。
/**
* 入队一个指定元素e.
* 由于是无界队列, 所以该方法并不会阻塞线程.
*/
public void put(E e) {
offer(e);
}
public boolean offer(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
q.offer(e); // 调用PriorityQueue的offer方法
if (q.peek() == e) { // 如果入队元素在队首, 则唤醒一个出队线程
leader = null;
available.signal();
}
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}
需要注意的是当首次入队元素时，需要唤醒一个出队线程，因为此时可能已有出队线程在空队列上等待了，如果不唤醒，会导致出队线程永远无法执行。
if (q.peek() == e) { // 如果入队元素在队首, 则唤醒一个出队线程 leader = null; available.signal(); }
出队——take
整个 take 方法在一个自旋中完成，其实就分为两种情况：
1.队列为空
这种情况直接阻塞出队线程。（在available条件队列等待）
2.队列非空
队列非空时，还要看队首元素的状态（有效期），如果队首元素过期了，那直接出队就行了；如果队首元素未过期，就要看当前线程是否是第一个到达的出队线程（即判断leader是否为空），如果不是，就无限等待，如果是，则限时等待。
/**
* 队首出队元素.
* 如果队首元素（堆顶）未到期或队列为空, 则阻塞线程.
*/
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (; ; ) {
E first = q.peek(); // 读取队首元素
if (first == null) // CASE1: 队列为空, 直接阻塞
available.await();
else { // CASE2: 队列非空
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
if (delay <= 0) // CASE2.0: 队首元素已过期
return q.poll();
// 执行到此处说明队列非空, 且队首元素未过期
first = null;
if (leader != null) // CASE2.1: 已存在leader线程
available.await(); // 无限期阻塞当前线程
else { // CASE2.2: 不存在leader线程
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread; // 将当前线程置为leader线程
try {
available.awaitNanos(delay); // 阻塞当前线程（限时等待剩余有效时间）
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && q.peek() != null) // 不存在leader线程, 则唤醒一个其它出队线程
available.signal();
lock.unlock();
}
}
需要注意，自旋结束后如果
leader == null && q.peek() != null，需要唤醒一个等待中的出队线程。
leader == null && q.peek() != null的含义就是——没有leader线程但队列中存在元素。我们之前说了，leader线程作用之一就是用来唤醒其它无限等待的线程，所以必须要有这个判断。
四、总结
DelayQueue 是阻塞队列中非常有用的一种队列，经常被用于缓存或定时任务等的设计。
考虑一种使用场景：
异步通知的重试，在很多系统中，当用户完成服务调用后，系统有时需要将结果异步通知到用户的某个URI。由于网络等原因，很多时候会通知失败，这个时候就需要一种重试机制。
这时可以用DelayQueue保存通知失败的请求，失效时间可以根据已通知的次数来设定（比如：2s、5s、10s、20s），这样每次从队列中take获取的就是剩余时间最短的请求，如果已重复通知次数超过一定阈值，则可以把消息抛弃。
后面，我们在讲J.U.C之executors框架的时候，还会再次看到DelayQueue的身影。JUC线程池框架中的ScheduledThreadPoolExecutor.DelayedWorkQueue就是一种延时阻塞队列。
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