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延迟阻塞队列 DelayQueue

延迟阻塞队列 DelayQueue

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的阻塞队列, 内部采用优先队列 PriorityQueue 存储元素,同时元素必须实现 Delayed 接口;在创建元素时可以指定多久才可以从队列中获取当前元素,只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

使用场景

因延迟阻塞队列的特性, 我们一般将 DelayQueue 作用于以下场景 :

  • 缓存系统 : 当能够从 DelayQueue 中获取元素时,说该缓存已过期
  • 定时任务调度 :

下面我们以缓存系统的应用,看下 DelayQueue 的使用,代码如下:

public class DelayQueueDemo {

    static class Cache implements Runnable {

        private boolean stop = false;

        private Map<String, String> itemMap = new HashMap<>();

        private DelayQueue<CacheItem> delayQueue = new DelayQueue<>();

        public Cache () {
            // 开启内部线程检测是否过期
            new Thread(this).start();
        }

        /**
         * 添加缓存
         *
         * @param key
         * @param value
         * @param exprieTime&emsp;过期时间,单位秒
         */
        public void put (String key, String value, long exprieTime) {
            CacheItem cacheItem = new CacheItem(key, exprieTime);

            // 此处忽略添加重复 key 的处理
            delayQueue.add(cacheItem);
            itemMap.put(key, value);
        }

        public String get (String key) {
            return itemMap.get(key);
        }

        public void shutdown () {
            stop = true;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (!stop) {
                CacheItem cacheItem = delayQueue.poll();
                if (cacheItem != null) {
                    // 元素过期, 从缓存中移除
                    itemMap.remove(cacheItem.getKey());
                    System.out.println("key : " + cacheItem.getKey() + " 过期并移除");
                }
            }

            System.out.println("cache stop");
        }
    }

    static class CacheItem implements Delayed {

        private String key;

        /**
         * 过期时间(单位秒)
         */
        private long exprieTime;

        private long currentTime;

        public CacheItem(String key, long exprieTime) {
            this.key = key;
            this.exprieTime = exprieTime;
            this.currentTime = System.currentTimeMillis();
        }

        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
            // 计算剩余的过期时间
            // 大于 0 说明未过期
            return exprieTime - TimeUnit.MILLISECONDS.toSeconds(System.currentTimeMillis() - currentTime);
        }

        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            // 过期时间长的放置在队列尾部
            if (this.getDelay(TimeUnit.MICROSECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MICROSECONDS)) {
                return 1;
            }
            // 过期时间短的放置在队列头
            if (this.getDelay(TimeUnit.MICROSECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MICROSECONDS)) {
                return -1;
            }

            return 0;
        }

        public String getKey() {
            return key;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Cache cache = new Cache();

        // 添加缓存元素
        cache.put("a", "1", 5);
        cache.put("b", "2", 4);
        cache.put("c", "3", 3);

        while (true) {
            String a = cache.get("a");
            String b = cache.get("b");
            String c = cache.get("c");

            System.out.println("a : " + a + ", b : " + b + ", c : " + c);

            // 元素均过期后退出循环
            if (StringUtils.isEmpty(a) && StringUtils.isEmpty(b) && StringUtils.isEmpty(c)) {
                break;
            }

            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);
        }

        cache.shutdown();
    }
}

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执行结果如下:


a : 1, b : 2, c : 3
a : 1, b : 2, c : 3
a : 1, b : 2, c : 3
key : c 过期并移除
a : 1, b : 2, c : null
key : b 过期并移除
a : 1, b : null, c : null
key : a 过期并移除
a : null, b : null, c : null
cache stop

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从执行结果可以看出,因循环内部每次停顿 1 秒,当等待 3 秒后,元素 c 过期并从缓存中清除,等待 4 秒后,元素 b 过期并从缓存中清除,等待 5 秒后,元素 a 过期并从缓存中清除。

实现原理

变量

重入锁
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
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用于保证队列操作的线程安全性

优先队列
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
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存储介质,用于保证延迟低的优先执行

leader

leader 指向的是第一个从队列获取元素阻塞等待的线程,其作用是减少其他线程不必要的等待时间。(这个地方我一直没搞明白 怎么就减少其他线程的等待时间了)

condition
private final Condition available = lock.newCondition();
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条件对象,当新元素到达,或新线程可能需要成为leader时被通知

下面将主要对队列的入队,出队动作进行分析 :

入队 - offer
    public boolean offer(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // 入队
            q.offer(e);
            if (q.peek() == e) {
                // 若入队的元素位于队列头部,说明当前元素延迟最小
                // 将 leader 置空
                leader = null;
                // 唤醒阻塞在等待队列的线程
                available.signal();
            }
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
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出队 - poll
public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            for (;;) {
                E first = q.peek();
                if (first == null)
                	// 等待 add 唤醒
                    available.await();
                else {
                    long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                    if (delay <= 0)
                    	// 已过期则直接返回队列头节点
                        return q.poll();
                    first = null; // don't retain ref while waiting
                    if (leader != null)
                    	// 若 leader 不为空
                    	// 说明已经有其他线程调用过 take 操作
                    	// 当前调用线程 follower 挂起等待
                        available.await();
                    else {
                    	// 若 leader 为空
                    	// 将 leader 指向当前线程
                        Thread thisThread = Thread.currentThread();
                        leader = thisThread;
                        try {
                        	// 当前调用线程在指定 delay 时间内挂起等待
                            available.awaitNanos(delay);
                        } finally {
                            if (leader == thisThread)
                                leader = null;
                        }
                    }
                }
            }
        } finally {
            if (leader == null && q.peek() != null)
                // leader 处理完之后,唤醒 follower
                available.signal();
            lock.unlock();
        }
    }
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Leader-follower 模式

该图引用自 CSDN 《Leader/Follower多线程网络模型介绍》

小结

看了 DelayQueue 的实现 我们大概也明白 PriorityQueue 采用小顶堆的原因了。

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