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【編者的話】個人比較喜歡一些實踐類的東西，既學習到知識又能讓技術落地，能搞出個demo最好，本來不知道該分享什么主題，好在最近項目緊急招人中，而我有幸做了回面試官，就給大家整理分享一道面試題：“如何實現延時隊列？”。
下邊會介紹多種實現延時隊列的思路，文末提供有幾種實現方式的GitHub地址。其實哪種方式都沒有絕對的好與壞，只是看把它用在什么業務場景中，技術這東西沒有最好的只有最合適的。
延時隊列的應用
什么是延時隊列？顧名思義：首先它要具有隊列的特性，再給它附加一個延遲消費隊列消息的功能，也就是說可以指定隊列中的消息在哪個時間點被消費。
延時隊列在項目中的應用還是比較多的，尤其像電商類平台：
- 訂單成功后，在30分鍾內沒有支付，自動取消訂單
- 外賣平台發送訂餐通知，下單成功后60s給用戶推送短信。
- 如果訂單一直處於某一個未完結狀態時，及時處理關單，並退還庫存
- 淘寶新建商戶一個月內還沒上傳商品信息，將凍結商鋪等
- ……
上邊的這些場景都可以應用延時隊列解決。
延時隊列的實現
我個人一直秉承的觀點：工作上能用JDK自帶API實現的功能，就不要輕易自己重復造輪子，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），再加上調試驗證產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復雜度成倍的增加，維護成本也大大的增加。
DelayQueue延時隊列
JDK中提供了一組實現延遲隊列的API，位於Java.util.concurrent包下DelayQueue。
DelayQueue是一個BlockingQueue（無界阻塞）隊列，它本質就是封裝了一個PriorityQueue（優先隊列），PriorityQueue內部使用完全二叉堆（不知道的自行了解哈）來實現隊列元素排序，我們在向DelayQueue隊列中添加元素時，會給元素一個Delay（延遲時間）作為排序條件，隊列中最小的元素會優先放在隊首。隊列中的元素只有到了Delay時間才允許從隊列中取出。隊列中可以放基本數據類型或自定義實體類，在存放基本數據類型時，優先隊列中元素默認升序排列，自定義實體類就需要我們根據類屬性值比較計算了。
先簡單實現一下看看效果，添加三個order入隊DelayQueue，分別設置訂單在當前時間的5秒、10秒、15秒后取消。
要實現DelayQueue延時隊列，隊中元素要implements Delayed 接口，這哥接口里只有一個getDelay方法，用於設置延期時間。Order類中compareTo方法負責對隊列中的元素進行排序。
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，因為put方法內部使用了ReentrantLock鎖進行線程同步。DelayQueue還提供了兩種出隊的方法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("訂單延遲隊列開始時間:" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
while (delayQueue.size() != 0) {
/**
* 取隊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);
}
}
}
上邊只是簡單的實現入隊與出隊的操作，實際開發中會有專門的線程，負責消息的入隊與消費。
執行后看到結果如下，Order1、Order2、Order3 分別在 5秒、10秒、15秒后被執行，至此就用DelayQueue實現了延時隊列。
訂單延遲隊列開始時間：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}
Quartz定時任務
Quartz一款非常經典任務調度框架，在Redis、RabbitMQ還未廣泛應用時，超時未支付取消訂單功能都是由定時任務實現的。定時任務它有一定的周期性，可能很多單子已經超時，但還沒到達觸發執行的時間點，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，每個5秒執行一次。
@Component
public class QuartzDemo {
//每隔五秒
@Scheduled(cron = "0/5 * * * * ? ")
public void process(){
System.out.println("我是定時任務！");
}
}
Redis sorted set
Redis的數據結構Zset，同樣可以實現延遲隊列的效果，主要利用它的score屬性，Redis通過score來為集合中的成員進行從小到大的排序。
通過zadd命令向隊列delayqueue中添加元素，並設置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
消費端輪詢隊列delayqueue，將元素排序后取最小時間與當前時間比對，如小於當前時間代表已經過期移除key。
/**
* 消費消息
*/
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);
}
}
我們看到執行結果符合預期：
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
Redis過期回調
Redis的key過期回調事件，也能達到延遲隊列的效果，簡單來說我們開啟監聽key是否過期的事件，一旦key過期會觸發一個callback事件。
修改redis.conf文件開啟notify-keyspace-events Ex。
notify-keyspace-events Ex
Redis監聽配置，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過期回調監聽方法，必須繼承KeyExpirationEventMessageListener ，有點類似於MQ的消息監聽。
@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並給定3s的過期時間。
set xiaofu 123 ex 3
在控制台成功監聽到了這個過期的key。
監聽到過期的key為：xiaofu
RabbitMQ 延時隊列
利用RabbitMQ做延時隊列是比較常見的一種方式，而實際上RabbitMQ自身並沒有直接支持提供延遲隊列功能，而是通過 RabbitMQ 消息隊列的 TTL和 DXL這兩個屬性間接實現的。
先來認識一下 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參數來設置指定Queue（隊列）和 Message（消息）上消息的存活時間，它的值是一個非負整數，單位為微秒。
RabbitMQ 可以從兩種維度設置消息過期時間，分別是隊列和消息本身：
- 設置隊列過期時間，那么隊列中所有消息都具有相同的過期時間。
- 設置消息過期時間，對隊列中的某一條消息設置過期時間，每條消息TTL都可以不同。
如果同時設置隊列和隊列中消息的TTL，則TTL值以兩者中較小的值為准。而隊列中的消息存在隊列中的時間，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，綁定在死信交換機上的即死信隊列。RabbitMQ的Queue（隊列）可以配置兩個參數x-dead-letter-exchange和x-dead-letter-routing-key（可選），一旦隊列內出現了Dead Letter（死信），則按照這兩個參數可以將消息重新路由到另一個Exchange（交換機），讓消息重新被消費。
x-dead-letter-exchange：隊列中出現Dead Letter后將Dead Letter重新路由轉發到指定 exchange（交換機）。
x-dead-letter-routing-key：指定routing-key發送，一般為要指定轉發的隊列。
隊列出現Dead Letter的情況有：
- 消息或者隊列的TTL過期
- 隊列達到最大長度
- 消息被消費端拒絕（basic.reject or basic.nack）
下邊結合一張圖看看如何實現超30分鍾未支付關單功能，我們將訂單消息A0001發送到延遲隊列order.delay.queue，並設置x-message-tt消息存活時間為30分鍾，當到達30分鍾后訂單消息A0001成為了Dead Letter（死信），延遲隊列檢測到有死信，通過配置x-dead-letter-exchange，將死信重新轉發到能正常消費的關單隊列，直接監聽關單隊列處理關單邏輯即可。
發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","大家好我是延遲數據", message -> {
// 設置延遲毫秒值
message.getMessageProperties().setExpiration(String.valueOf(delayTimes));
return message;
});
}
}
設置延遲隊列出現死信后的轉發規則。
/**
* 延時隊列
*/
@Bean(name = "order.delay.queue")
public Queue getMessageQueue() {
return QueueBuilder
.durable(RabbitConstant.DEAD_LETTER_QUEUE)
// 配置到期后轉發的交換
.withArgument("x-dead-letter-exchange", "order.close.exchange")
// 配置到期后轉發的路由鍵
.withArgument("x-dead-letter-routing-key", "order.close.queue")
.build();
}
時間輪
前邊幾種延時隊列的實現方法相對簡單，比較容易理解，時間輪算法就稍微有點抽象了。Kafka、Netty都有基於時間輪算法實現延時隊列，下邊主要實踐Netty的延時隊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。
wheel：時間輪，圖中的圓盤可以看作是鍾表的刻度。比如一圈round長度為24秒，刻度數為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/刻度數值越大，精度越大。
當添加一個定時、延時任務A，假如會延遲25秒后才會執行，可時間輪一圈round的長度才24秒，那么此時會根據時間輪長度和刻度得到一個圈數round和對應的指針位置index，也是就任務A會繞一圈指向0格子上，此時時間輪會記錄該任務的round和index信息。當round=0，index=0，指針指向0格子，任務A並不會執行，因為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，而任務則放在每個格子對應的鏈表中，這點和HashMap的數據有些類似。
Netty構建延時隊列主要用HashedWheelTimer，HashedWheelTimer底層數據結構依然是使用DelayedQueue，只是采用時間輪的算法來實現。
下面我們用Netty 簡單實現延時隊列，HashedWheelTimer構造函數比較多，解釋一下各參數的含義。
- ThreadFactory ：表示用於生成工作線程，一般采用線程池；
- tickDuration和unit：每格的時間間隔，默認100ms；
- ticksPerWheel：一圈下來有幾格，默認512，而如果傳入數值的不是2的N次方，則會調整為大於等於該參數的一個2的N次方數值，有利於優化hash值的計算。
public HashedWheelTimer(ThreadFactory threadFactory, long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel) {
this(threadFactory, tickDuration, unit, ticksPerWheel, true);
}
- TimerTask：一個定時任務的實現接口，其中run方法包裝了定時任務的邏輯。
- Timeout：一個定時任務提交到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，並對定時任務的狀態進行一些基本的判斷。
- Timer：是HashedWheelTimer實現的父接口，僅定義了如何提交定時任務和如何停止整個定時機制。
public class NettyDelayQueue {
public static void main(String[] args) {
final Timer timer = new HashedWheelTimer(Executors.defaultThreadFactory(), 5, TimeUnit.SECONDS, 2);
//定時任務
TimerTask task1 = new TimerTask() {
public void run(Timeout timeout) throws Exception {
System.out.println("order1 5s 后執行 ");
timer.newTimeout(this, 5, TimeUnit.SECONDS);//結束時候再次注冊
}
};
timer.newTimeout(task1, 5, TimeUnit.SECONDS);
TimerTask task2 = new TimerTask() {
public void run(Timeout timeout) throws Exception {
System.out.println("order2 10s 后執行");
timer.newTimeout(this, 10, TimeUnit.SECONDS);//結束時候再注冊
}
};
timer.newTimeout(task2, 10, TimeUnit.SECONDS);
//延遲任務
timer.newTimeout(new TimerTask() {
public void run(Timeout timeout) throws Exception {
System.out.println("order3 15s 后執行一次");
}
}, 15, TimeUnit.SECONDS);
}
}
從執行的結果看，order3、order3延時任務只執行了一次，而order2、order1為定時任務，按照不同的周期重復執行。
order1 5s 后執行 order2 10s 后執行 order3 15s 后執行一次 order1 5s 后執行 order2 10s 后執行
總結
為了讓大家更容易理解，上邊的代碼寫的都比較簡單粗糙，幾種實現方式的demo已經都提交到GitHub 地址：https://github.com/chengxy-nds/delayqueue，感興趣的小伙伴可以下載跑一跑。
可能寫的有不夠完善的地方，如哪里有錯誤或者不明了的，歡迎大家踴躍指正！
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