DelayQueue延遲隊列原理剖析

介紹

DelayQueue隊列是一個延遲隊列，DelayQueue中存放的元素必須實現Delayed接口的元素，實現接口后相當於是每個元素都有個過期時間，當隊列進行take獲取元素時，先要判斷元素有沒有過期，只有過期的元素才能出隊操作，沒有過期的隊列需要等待剩余過期時間才能進行出隊操作。

源碼分析

DelayQueue隊列內部使用了PriorityQueue優先隊列來進行存放數據，它采用的是二叉堆進行的優先隊列，使用ReentrantLock鎖來控制線程同步，由於內部元素是采用的PriorityQueue來進行存放數據，所以Delayed接口實現了Comparable接口，用於比較來控制優先級，如下代碼所示：

 1public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
 2
 3    /**
 4     * Returns the remaining delay associated with this object, in the
 5     * given time unit.
 6     *
 7     * @param unit the time unit
 8     * @return the remaining delay; zero or negative values indicate
 9     * that the delay has already elapsed
10     */
11    long getDelay(TimeUnit unit);
12}

DelayQueue的成員變量如下所示：

 1// 鎖。
 2private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 3// 優先隊列。
 4private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
 5
 6/**
 7 * Leader-Follower的變種。
 8 * Thread designated to wait for the element at the head of
 9 * the queue.  This variant of the Leader-Follower pattern
10 * (http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/POSA/POSA2/) serves to
11 * minimize unnecessary timed waiting.  When a thread becomes
12 * the leader, it waits only for the next delay to elapse, but
13 * other threads await indefinitely.  The leader thread must
14 * signal some other thread before returning from take() or
15 * poll(...), unless some other thread becomes leader in the
16 * interim.  Whenever the head of the queue is replaced with
17 * an element with an earlier expiration time, the leader
18 * field is invalidated by being reset to null, and some
19 * waiting thread, but not necessarily the current leader, is
20 * signalled.  So waiting threads must be prepared to acquire
21 * and lose leadership while waiting.
22 */
23private Thread leader = null;
24
25/**
26 * Condition signalled when a newer element becomes available
27 * at the head of the queue or a new thread may need to
28 * become leader.
29 */
30// 條件，代表如果有數據則通知Follower線程，喚醒線程處理隊列內容。
31private final Condition available = lock.newCondition();

Leader-Follower模式的變種，用於最小化不必要的定時等待，當一個線程被選擇為Leader時，它會等待延遲過去執行代碼邏輯，而其他線程則需要無限期等待，在從take或poll返回之前，每當隊列的頭部被替換為具有更早到期時間的元素時，leader字段將通過重置為空而無效，Leader線程必須向其中一個Follower線程發出信號，被喚醒的 follwer 線程被設置為新的Leader 線程。

offer操作

 1public boolean offer(E e) {
 2    // 獲取到鎖
 3    final ReentrantLock lock = this.lock;
 4    lock.lock();
 5    try {
 6        // 將元素存儲到PriorityQueue優先隊列中
 7        q.offer(e);
 8        // 如果第一個元素是當前元素，說明之前隊列中為空，則先將Leader設置為空，通知等待線程可以爭搶Leader了。
 9        if (q.peek() == e) {
10            leader = null;
11            available.signal();
12        }
13        // 返回成功
14        return true;
15    } finally {
16        lock.unlock();
17    }
18}

offer操作前先進行獲取鎖的操作，也就是同一時間內只能有一個線程可以入隊操作。

1. 獲取到ReentrantLock鎖對象。
2. 將元素添加到PriorityQueue優先隊列中
3. 如果隊列中最早過期的元素是自己，則說明隊列原先是空的，所以將Leader進行重置，通知Follower線程可以成為Leader線程。
4. 最后進行解鎖操作。

put操作

put操作其實就是調用的offer操作來進行添加數據的，以下是源碼信息：

1public void put(E e) {
2    offer(e);
3}

take操作

 1public E take() throws InterruptedException {
 2    final ReentrantLock lock = this.lock;
 3    // 獲取可中斷的鎖。
 4    lock.lockInterruptibly();
 5    try {
 6        // 循環獲取數據。
 7        for (;;) {
 8            // 獲取最早過期的元素，但是不彈出對象。
 9            E first = q.peek();
10            // 如果最早過期的元素為空，說明隊列為空，則線程直接進入無限期等待，並且讓出鎖。
11            if (first == null)
12                // 當前線程無限期等待，直到被喚醒，並且讓出鎖對象。
13                available.await();
14            else {
15                // 獲取最早過期的元素剩余過期時間。
16                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
17                // 如果剩余過期時間小於0，則說明已經過期，反之還沒有過期。
18                if (delay <= 0)
19                    // 如果已經過期直接獲取最早過期的元素，並返回。
20                    return q.poll();
21                // 如果剩余過期日期大於0，則會進入到這里。
22                // 將剛才獲取的最早過期的元素設置為空。
23                first = null; // don't retain ref while waiting
24                // 如果有線程爭搶的Leader線程，則進行無限期等待。
25                if (leader != null)
26                    // 無限期等待並讓出鎖。
27                    available.await();
28                else {
29                    // 獲取當前線程。
30                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
31                    // 設置當前線程變為Leader線程。
32                    leader = thisThread;
33                    try {
34                        // 等待剩余等待時間。
35                        available.awaitNanos(delay);
36                    } finally {
37                        // 將Leader設置為null。
38                        if (leader == thisThread)
39                            leader = null;
40                    }
41                }
42            }
43        }
44    } finally {
45        // 如果隊列不為空，並且沒有Leader則通知等待線程可以成為Leader。
46        if (leader == null && q.peek() != null)
47            // 通知等待線程。
48            available.signal();
49        lock.unlock();
50    }
51}

1. 當獲取元素時，先獲取到鎖對象。
2. 獲取最早過期的元素，但是並不從隊列中彈出元素。
3. 最早過期元素是否為空，如果為空則直接讓當前線程無限期等待狀態，並且讓出當前鎖對象。
4. 如果最早過期的元素不為空

• 獲取最早過期元素的剩余過期時間，如果已經過期則直接返回當前元素
• 如果沒有過期，也就是說剩余時間還存在，則先獲取Leader對象，如果Leader已經有線程在處理，則當前線程進行無限期等待，如果Leader為空，則首先將Leader設置為當前線程，並且讓當前線程等待剩余時間。
• 最后將Leader線程設置為空

1. 如果Leader已經為空，並且隊列有內容則喚醒一個等待的隊列。

poll操作

獲取最早過期的元素，如果隊列頭沒有過期的元素則直接返回null，反之返回過期的元素。

 1public E poll() {
 2    final ReentrantLock lock = this.lock;
 3    lock.lock();
 4    try {
 5        E first = q.peek();
 6        // 如果隊列為空或者隊列最早過期的元素沒有過期，則返回null。
 7        if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
 8            return null;
 9        else
10            // 出隊列操作。
11            return q.poll();
12    } finally {
13        lock.unlock();
14    }
15}

小結

1. DelayQueue是一個無界的並發延遲阻塞隊列，隊列中的元素必須實現Delayed接口，相應了需要實現Comparable接口實現比較的方法
2. Leader-Follower模式的變種，用於最小化不必要的定時等待，當一個線程被選擇為Leader時，它會等待延遲過去執行代碼邏輯，而其他線程則需要無限期等待，在從take或poll返回之前，每當隊列的頭部被替換為具有更早到期時間的元素時，leader字段將通過重置為空而無效，Leader線程必須向其中一個Follower線程發出信號，被喚醒的 follwer 線程被設置為新的Leader 線程。

喜歡的同學點贊關注下微信公眾號，推送優質文章。