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Java常見延遲隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方案總結(jié)

 更新時間：2024年03月08日 11:10:55   作者：牽著貓散步的鼠鼠  
Java延遲隊(duì)列（DelayQueue）是Java并發(fā)包中的一個類,它實(shí)現(xiàn)了BlockingQueue接口,且其中的元素必須實(shí)現(xiàn)Delayed接口,延遲隊(duì)列中的元素按照延遲時間的長短進(jìn)行排序,本文給大家介紹了Java常見延遲隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方案總結(jié),需要的朋友可以參考下

一、延時隊(duì)列的應(yīng)用

什么是延時隊(duì)列？顧名思義：首先它要具有隊(duì)列的特性，再給它附加一個延遲消費(fèi)隊(duì)列消息的功能，也就是說可以指定隊(duì)列中的消息在哪個時間點(diǎn)被消費(fèi)。

延時隊(duì)列在項(xiàng)目中的應(yīng)用還是比較多的，尤其像電商類平臺：

1、訂單成功后，在30分鐘內(nèi)沒有支付，自動取消訂單

2、外賣平臺發(fā)送訂餐通知，下單成功后60s給用戶推送短信。

3、如果訂單一直處于某一個未完結(jié)狀態(tài)時，及時處理關(guān)單，并退還庫存

4、淘寶新建商戶一個月內(nèi)還沒上傳商品信息，將凍結(jié)商鋪等

上邊的這些場景都可以應(yīng)用延時隊(duì)列解決。

二、延時隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)

我個人一直秉承的觀點(diǎn)：工作上能用JDK自帶API實(shí)現(xiàn)的功能，就不要輕易自己重復(fù)造輪子，或者引入三方中間件。一方面自己封裝很容易出問題（大佬除外），再加上調(diào)試驗(yàn)證產(chǎn)生許多不必要的工作量；另一方面一旦接入三方的中間件就會讓系統(tǒng)復(fù)雜度成倍的增加，維護(hù)成本也大大的增加。

1、DelayQueue 延時隊(duì)列

JDK 中提供了一組實(shí)現(xiàn)延遲隊(duì)列的API，位于Java.util.concurrent包下DelayQueue。

DelayQueue是一個BlockingQueue（無界阻塞）隊(duì)列，它本質(zhì)就是封裝了一個PriorityQueue（優(yōu)先隊(duì)列），PriorityQueue內(nèi)部使用完全二叉堆（不知道的自行了解哈）來實(shí)現(xiàn)隊(duì)列元素排序，我們在向DelayQueue隊(duì)列中添加元素時，會給元素一個Delay（延遲時間）作為排序條件，隊(duì)列中最小的元素會優(yōu)先放在隊(duì)首。隊(duì)列中的元素只有到了Delay時間才允許從隊(duì)列中取出。隊(duì)列中可以放基本數(shù)據(jù)類型或自定義實(shí)體類，在存放基本數(shù)據(jù)類型時，優(yōu)先隊(duì)列中元素默認(rèn)升序排列，自定義實(shí)體類就需要我們根據(jù)類屬性值比較計算了。

先簡單實(shí)現(xiàn)一下看看效果，添加三個order入隊(duì)DelayQueue，分別設(shè)置訂單在當(dāng)前時間的5秒、10秒、15秒后取消。

在這里插入圖片描述

要實(shí)現(xiàn)DelayQueue延時隊(duì)列，隊(duì)中元素要implements Delayed 接口，這哥接口里只有一個getDelay方法，用于設(shè)置延期時間。Order類中compareTo方法負(fù)責(zé)對隊(duì)列中的元素進(jìn)行排序。

public class Order implements Delayed {
    /**
     * 延遲時間
     */
    @JsonFormat(locale = "zh", timezone = "GMT+8", pattern = "yyyy-MM-dd HH:mm:ss")
    private long time;
    String name;
    
    public Order(String name, long time, TimeUnit unit) {
        this.name = name;
        this.time = System.currentTimeMillis() + (time > 0 ? unit.toMillis(time) : 0);
    }
    
    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return time - System.currentTimeMillis();
    }
    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        Order Order = (Order) o;
        long diff = this.time - Order.time;
        if (diff <= 0) {
            return -1;
        } else {
            return 1;
        }
    }
}

DelayQueue的put方法是線程安全的，因?yàn)閜ut方法內(nèi)部使用了ReentrantLock鎖進(jìn)行線程同步。DelayQueue還提供了兩種出隊(duì)的方法 poll() 和 take() ， poll() 為非阻塞獲取，沒有到期的元素直接返回null；take() 阻塞方式獲取，沒有到期的元素線程將會等待。

public class DelayQueueDemo {
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Order Order1 = new Order("Order1", 5, TimeUnit.SECONDS);
        Order Order2 = new Order("Order2", 10, TimeUnit.SECONDS);
        Order Order3 = new Order("Order3", 15, TimeUnit.SECONDS);
        DelayQueue<Order> delayQueue = new DelayQueue<>();
        delayQueue.put(Order1);
        delayQueue.put(Order2);
        delayQueue.put(Order3);
 
        System.out.println("訂單延遲隊(duì)列開始時間:" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
        while (delayQueue.size() != 0) {
            /**
             * 取隊(duì)列頭部元素是否過期
             */
            Order task = delayQueue.poll();
            if (task != null) {
                System.out.format("訂單:{%s}被取消, 取消時間:{%s}\n", task.name, LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
            }
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

上邊只是簡單的實(shí)現(xiàn)入隊(duì)與出隊(duì)的操作，實(shí)際開發(fā)中會有專門的線程，負(fù)責(zé)消息的入隊(duì)與消費(fèi)。

執(zhí)行后看到結(jié)果如下，Order1、Order2、Order3 分別在 5秒、10秒、15秒后被執(zhí)行，至此就用DelayQueue實(shí)現(xiàn)了延時隊(duì)列。

訂單延遲隊(duì)列開始時間:2020-05-06 14:59:09
訂單:{Order1}被取消, 取消時間:{2020-05-06 14:59:14}
訂單:{Order2}被取消, 取消時間:{2020-05-06 14:59:19}
訂單:{Order3}被取消, 取消時間:{2020-05-06 14:59:24}

2、Quartz 定時任務(wù)

Quartz一款非常經(jīng)典任務(wù)調(diào)度框架，在Redis、RabbitMQ還未廣泛應(yīng)用時，超時未支付取消訂單功能都是由定時任務(wù)實(shí)現(xiàn)的。定時任務(wù)它有一定的周期性，可能很多單子已經(jīng)超時，但還沒到達(dá)觸發(fā)執(zhí)行的時間點(diǎn)，那么就會造成訂單處理的不夠及時。

引入quartz框架依賴包

<dependency>
     <groupId>org.springframework.boot</groupId>
     <artifactId>spring-boot-starter-quartz</artifactId>
</dependency>

在啟動類中使用@EnableScheduling注解開啟定時任務(wù)功能。

@EnableScheduling
@SpringBootApplication
public class DelayqueueApplication {
	public static void main(String[] args) {
		SpringApplication.run(DelayqueueApplication.class, args);
	}
}

編寫一個定時任務(wù)，每個5秒執(zhí)行一次。

@Component
public class QuartzDemo {
 
    //每隔五秒
    @Scheduled(cron = "0/5 * * * * ? ")
    public void process(){
        System.out.println("我是定時任務(wù)！");
    }
}

3、Redis sorted set

Redis的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Zset，同樣可以實(shí)現(xiàn)延遲隊(duì)列的效果，主要利用它的score屬性，redis通過score來為集合中的成員進(jìn)行從小到大的排序。

在這里插入圖片描述

通過zadd命令向隊(duì)列delayqueue 中添加元素，并設(shè)置score值表示元素過期的時間；向delayqueue 添加三個order1、order2、order3，分別是10秒、20秒、30秒后過期。

zadd delayqueue 3 order3

消費(fèi)端輪詢隊(duì)列delayqueue， 將元素排序后取最小時間與當(dāng)前時間比對，如小于當(dāng)前時間代表已經(jīng)過期移除key。

    /**
     * 消費(fèi)消息
     */
    public void pollOrderQueue() {
 
        while (true) {
            Set<Tuple> set = jedis.zrangeWithScores(DELAY_QUEUE, 0, 0);
 
            String value = ((Tuple) set.toArray()[0]).getElement();
            int score = (int) ((Tuple) set.toArray()[0]).getScore();
            
            Calendar cal = Calendar.getInstance();
            int nowSecond = (int) (cal.getTimeInMillis() / 1000);
            if (nowSecond >= score) {
                jedis.zrem(DELAY_QUEUE, value);
                System.out.println(sdf.format(new Date()) + " removed key:" + value);
            }
 
            if (jedis.zcard(DELAY_QUEUE) <= 0) {
                System.out.println(sdf.format(new Date()) + " zset empty ");
                return;
            }
            Thread.sleep(1000);
        }
    }

我們看到執(zhí)行結(jié)果符合預(yù)期

2020-05-07 13:24:09 add finished.
2020-05-07 13:24:19 removed key:order1
2020-05-07 13:24:29 removed key:order2
2020-05-07 13:24:39 removed key:order3
2020-05-07 13:24:39 zset empty

4、Redisson延時隊(duì)列(推薦)

我們上面第三點(diǎn)講解了如何使用Redis sorted set實(shí)現(xiàn)延時隊(duì)列，其實(shí)Redisson已經(jīng)幫我們封裝好這一塊的代碼，我們可以直接使用，十分方便

我們可以通過getBlockingQueue和getDelayedQueue這兩個方法來分別獲取堵塞隊(duì)列和延時隊(duì)列

其中g(shù)etBlockingQueue需要傳入一個key標(biāo)識參數(shù)，而getDelayedQueue需要傳入一個堵塞隊(duì)列參數(shù)

    @Override
    public <T> RBlockingQueue<T> getBlockingQueue(String key) {
        return redissonClient.getBlockingQueue(key);
    }
 
    @Override
    public <T> RDelayedQueue<T> getDelayedQueue(RBlockingQueue<T> rBlockingQueue) {
        return redissonClient.getDelayedQueue(rBlockingQueue);
    }

如下，我們可以通過先獲取堵塞隊(duì)列，再獲取對應(yīng)堵塞隊(duì)列的延時隊(duì)列，當(dāng)我們往延時隊(duì)列中存放元素后，經(jīng)過指定時間后會被放入堵塞隊(duì)列中。

// 將庫存入庫任務(wù)存放到延時隊(duì)列中
    @Override
    public void awardStockConsumeSendQueue(StrategyAwardStockKeyVO strategyAwardStockKeyVO) {
        String cacheKey = Constants.RedisKey.STRATEGY_AWARD_COUNT_QUERY_KEY;
        // 獲取對應(yīng)key的堵塞隊(duì)列
        RBlockingQueue<StrategyAwardStockKeyVO> blockingQueue = redisService.getBlockingQueue(cacheKey);
        // 獲取對應(yīng)堵塞隊(duì)列的延時隊(duì)列
        RDelayedQueue<StrategyAwardStockKeyVO> delayedQueue = redisService.getDelayedQueue(blockingQueue);
        // 將任務(wù)對象(你自己定義的對象)放入延時隊(duì)列中，三秒后會放入堵塞隊(duì)列
        delayedQueue.offer(strategyAwardStockKeyVO, 3, TimeUnit.SECONDS);
    }
 
    // 從堵塞隊(duì)列中獲取任務(wù)
    @Override
    public StrategyAwardStockKeyVO takeStockQueueValue() throws InterruptedException {
        String cacheKey = Constants.RedisKey.STRATEGY_AWARD_COUNT_QUERY_KEY;
        RBlockingQueue<StrategyAwardStockKeyVO> destinationQueue = redisService.getBlockingQueue(cacheKey);
        return destinationQueue.poll();
    }

使用定時任務(wù)消費(fèi)堵塞隊(duì)列的任務(wù)

// 庫存數(shù)據(jù)同步任務(wù)
    @Scheduled(cron = "0/5 * * * * ?")
    public void awardStockUpdate() {
        try {
            log.info("定時任務(wù)，更新獎品消耗庫存【延遲隊(duì)列獲取】");
            StrategyAwardStockKeyVO strategyAwardStockKeyVO = raffleStock.takeStockQueueValue();
            if (null == strategyAwardStockKeyVO) return;
            log.info("定時任務(wù)，更新獎品消耗庫存 strategyId:{} awardId:{}", strategyAwardStockKeyVO.getStrategyId(), strategyAwardStockKeyVO.getAwardId());
            raffleStock.updateStrategyAwardStock(strategyAwardStockKeyVO.getStrategyId(), strategyAwardStockKeyVO.getAwardId());
        } catch (Exception e) {
            log.error("定時任務(wù)，更新獎品消耗庫存失敗", e);
        }
    }

5、Redis 過期回調(diào)

Redis 的key過期回調(diào)事件，也能達(dá)到延遲隊(duì)列的效果，簡單來說我們開啟監(jiān)聽key是否過期的事件，一旦key過期會觸發(fā)一個callback事件。

修改redis.conf文件開啟notify-keyspace-events Ex

notify-keyspace-events Ex

Redis監(jiān)聽配置，注入Bean RedisMessageListenerContainer

@Configuration
public class RedisListenerConfig {
    @Bean
    RedisMessageListenerContainer container(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
 
        RedisMessageListenerContainer container = new RedisMessageListenerContainer();
        container.setConnectionFactory(connectionFactory);
        return container;
    }
}

編寫Redis過期回調(diào)監(jiān)聽方法，必須繼承KeyExpirationEventMessageListener ，有點(diǎn)類似于MQ的消息監(jiān)聽。

@Component
public class RedisKeyExpirationListener extends KeyExpirationEventMessageListener {
 
    public RedisKeyExpirationListener(RedisMessageListenerContainer listenerContainer) {
        super(listenerContainer);
    }
    @Override
    public void onMessage(Message message, byte[] pattern) {
        String expiredKey = message.toString();
        System.out.println("監(jiān)聽到key：" + expiredKey + "已過期");
    }
}

到這代碼就編寫完成，非常的簡單，接下來測試一下效果，在redis-cli客戶端添加一個key 并給定3s的過期時間。

set xiaofu 123 ex 3

在控制臺成功監(jiān)聽到了這個過期的key。

監(jiān)聽到過期的key為：xiaofu

6、RabbitMQ 延時隊(duì)列(推薦)

利用 RabbitMQ 做延時隊(duì)列是比較常見的一種方式，而實(shí)際上RabbitMQ 自身并沒有直接支持提供延遲隊(duì)列功能，而是通過 RabbitMQ 消息隊(duì)列的 TTL和 DXL這兩個屬性間接實(shí)現(xiàn)的。

先來認(rèn)識一下 TTL和 DXL兩個概念：

Time To Live(TTL) ：

TTL 顧名思義：指的是消息的存活時間，RabbitMQ可以通過x-message-tt參數(shù)來設(shè)置指定Queue（隊(duì)列）和 Message（消息）上消息的存活時間，它的值是一個非負(fù)整數(shù)，單位為微秒。

RabbitMQ 可以從兩種維度設(shè)置消息過期時間，分別是隊(duì)列和消息本身

  • 設(shè)置隊(duì)列過期時間，那么隊(duì)列中所有消息都具有相同的過期時間。
  • 設(shè)置消息過期時間，對隊(duì)列中的某一條消息設(shè)置過期時間，每條消息TTL都可以不同。

如果同時設(shè)置隊(duì)列和隊(duì)列中消息的TTL，則TTL值以兩者中較小的值為準(zhǔn)。而隊(duì)列中的消息存在隊(duì)列中的時間，一旦超過TTL過期時間則成為Dead Letter（死信）。

Dead Letter Exchanges（DLX）：

DLX即死信交換機(jī)，綁定在死信交換機(jī)上的即死信隊(duì)列。RabbitMQ的 Queue（隊(duì)列）可以配置兩個參數(shù)x-dead-letter-exchange 和 x-dead-letter-routing-key（可選），一旦隊(duì)列內(nèi)出現(xiàn)了Dead Letter（死信），則按照這兩個參數(shù)可以將消息重新路由到另一個Exchange（交換機(jī)），讓消息重新被消費(fèi)。

x-dead-letter-exchange：隊(duì)列中出現(xiàn)Dead Letter后將Dead Letter重新路由轉(zhuǎn)發(fā)到指定 exchange（交換機(jī)）。

x-dead-letter-routing-key：指定routing-key發(fā)送，一般為要指定轉(zhuǎn)發(fā)的隊(duì)列。

隊(duì)列出現(xiàn)Dead Letter的情況有：

  • 消息或者隊(duì)列的TTL過期
  • 隊(duì)列達(dá)到最大長度
  • 消息被消費(fèi)端拒絕（basic.reject or basic.nack）

下邊結(jié)合一張圖看看如何實(shí)現(xiàn)超30分鐘未支付關(guān)單功能，我們將訂單消息A0001發(fā)送到延遲隊(duì)列order.delay.queue，并設(shè)置x-message-tt消息存活時間為30分鐘，當(dāng)?shù)竭_(dá)30分鐘后訂單消息A0001成為了Dead Letter（死信），延遲隊(duì)列檢測到有死信，通過配置x-dead-letter-exchange，將死信重新轉(zhuǎn)發(fā)到能正常消費(fèi)的關(guān)單隊(duì)列，直接監(jiān)聽關(guān)單隊(duì)列處理關(guān)單邏輯即可。

在這里插入圖片描述

發(fā)送消息時指定消息延遲的時間

public void send(String delayTimes) {
        amqpTemplate.convertAndSend("order.pay.exchange", "order.pay.queue","大家好我是延遲數(shù)據(jù)", message -> {
            // 設(shè)置延遲毫秒值
            message.getMessageProperties().setExpiration(String.valueOf(delayTimes));
            return message;
        });
    }
}

設(shè)置延遲隊(duì)列出現(xiàn)死信后的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則

/**
     * 延時隊(duì)列
     */
    @Bean(name = "order.delay.queue")
    public Queue getMessageQueue() {
        return QueueBuilder
                .durable(RabbitConstant.DEAD_LETTER_QUEUE)
                // 配置到期后轉(zhuǎn)發(fā)的交換
                .withArgument("x-dead-letter-exchange", "order.close.exchange")
                // 配置到期后轉(zhuǎn)發(fā)的路由鍵
                .withArgument("x-dead-letter-routing-key", "order.close.queue")
                .build();
    }

7、時間輪（netty延時隊(duì)列）

前邊幾種延時隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方法相對簡單，比較容易理解，時間輪算法就稍微有點(diǎn)抽象了。kafka、netty都有基于時間輪算法實(shí)現(xiàn)延時隊(duì)列，下邊主要實(shí)踐Netty的延時隊(duì)列講一下時間輪是什么原理。

先來看一張時間輪的原理圖，解讀一下時間輪的幾個基本概念

在這里插入圖片描述

wheel ：時間輪，圖中的圓盤可以看作是鐘表的刻度。比如一圈round 長度為24秒，刻度數(shù)為 8，那么每一個刻度表示 3秒。那么時間精度就是 3秒。時間長度 / 刻度數(shù)值越大，精度越大。

當(dāng)添加一個定時、延時任務(wù)A，假如會延遲25秒后才會執(zhí)行，可時間輪一圈round 的長度才24秒，那么此時會根據(jù)時間輪長度和刻度得到一個圈數(shù) round和對應(yīng)的指針位置 index，也是就任務(wù)A會繞一圈指向0格子上，此時時間輪會記錄該任務(wù)的round和 index信息。當(dāng)round=0，index=0 ，指針指向0格子 任務(wù)A并不會執(zhí)行，因?yàn)?round=0不滿足要求。

所以每一個格子代表的是一些時間，比如1秒和25秒 都會指向0格子上，而任務(wù)則放在每個格子對應(yīng)的鏈表中，這點(diǎn)和HashMap的數(shù)據(jù)有些類似。

Netty構(gòu)建延時隊(duì)列主要用HashedWheelTimer，HashedWheelTimer底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依然是使用DelayedQueue，只是采用時間輪的算法來實(shí)現(xiàn)。

下面我們用Netty 簡單實(shí)現(xiàn)延時隊(duì)列，HashedWheelTimer構(gòu)造函數(shù)比較多，解釋一下各參數(shù)的含義。

ThreadFactory ：表示用于生成工作線程，一般采用線程池；

tickDuration和unit：每格的時間間隔，默認(rèn)100ms；

ticksPerWheel：一圈下來有幾格，默認(rèn)512，而如果傳入數(shù)值的不是2的N次方，則會調(diào)整為大于等于該參數(shù)的一個2的N次方數(shù)值，有利于優(yōu)化hash值的計算。

public HashedWheelTimer(ThreadFactory threadFactory, long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel) {
        this(threadFactory, tickDuration, unit, ticksPerWheel, true);
    }

TimerTask：一個定時任務(wù)的實(shí)現(xiàn)接口，其中run方法包裝了定時任務(wù)的邏輯。

Timeout：一個定時任務(wù)提交到Timer之后返回的句柄，通過這個句柄外部可以取消這個定時任務(wù)，并對定時任務(wù)的狀態(tài)進(jìn)行一些基本的判斷。

Timer：是HashedWheelTimer實(shí)現(xiàn)的父接口，僅定義了如何提交定時任務(wù)和如何停止整個定時機(jī)制。 

public class NettyDelayQueue {
 
    public static void main(String[] args) {
 
        final Timer timer = new HashedWheelTimer(Executors.defaultThreadFactory(), 5, TimeUnit.SECONDS, 2);
 
        //定時任務(wù)
        TimerTask task1 = new TimerTask() {
            public void run(Timeout timeout) throws Exception {
                System.out.println("order1  5s 后執(zhí)行 ");
                timer.newTimeout(this, 5, TimeUnit.SECONDS);//結(jié)束時候再次注冊
            }
        };
        timer.newTimeout(task1, 5, TimeUnit.SECONDS);
        TimerTask task2 = new TimerTask() {
            public void run(Timeout timeout) throws Exception {
                System.out.println("order2  10s 后執(zhí)行");
                timer.newTimeout(this, 10, TimeUnit.SECONDS);//結(jié)束時候再注冊
            }
        };
 
        timer.newTimeout(task2, 10, TimeUnit.SECONDS);
 
        //延遲任務(wù)
        timer.newTimeout(new TimerTask() {
            public void run(Timeout timeout) throws Exception {
                System.out.println("order3  15s 后執(zhí)行一次");
            }
        }, 15, TimeUnit.SECONDS);
 
    }
}

從執(zhí)行的結(jié)果看，order3、order3延時任務(wù)只執(zhí)行了一次，而order2、order1為定時任務(wù)，按照不同的周期重復(fù)執(zhí)行。

order1  5s 后執(zhí)行 
order2  10s 后執(zhí)行
order3  15s 后執(zhí)行一次
order1  5s 后執(zhí)行 
order2  10s 后執(zhí)行

總結(jié)

以上就是Java常見延遲隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方案總結(jié)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java延遲隊(duì)列的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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