一口氣說出 6種 延時隊列的實現方法，面試官也得服
五一期間原計劃是寫兩篇文章，看一本技術類書籍，結果這五天由于自律性過于差，禁不住各種誘惑，我連電腦都沒打開過，計劃完美宣告失敗。所以在這能看出和大佬之間的差距，人家沒白沒夜的更文，比你優秀的人比你更努力，難以望其項背，真是讓我自愧不如。
知恥而后勇，這不逼著自己又學起來了，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。
一、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，尤其像電商類平臺：
1、訂單成功后，在30分鐘內沒有支付，自動取消訂單
2、外賣平臺發送訂餐通知，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狀態時，及時處理關單，并退還庫存
4、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。
二、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。
1、DelayQueue 延時隊列
JDK 中提供了一組實現延遲隊列的API，位于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，用于設置延期時間。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}
2、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，并設置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，如小于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
4、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 ，有點類似于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 并給定3s的過期時間。
- set xiaofu 123 ex 3
在控制臺成功監聽到了這個過期的key。
- 監聽到過期的key為：xiaofu
5、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 自身并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準。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分鐘未支付關單功能，我們將訂單消息A0001發送到延遲隊列order.delay.queue，并設置x-message-tt消息存活時間為30分鐘，當到達30分鐘后訂單消息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();
- }
6、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都有基于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鐘表的刻度。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并不會執行，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，則會調整為大于等于該參數的一個2的N次方數值，有利于優化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，并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。
這篇文章肝了挺長時間，寫作一點也不比上班干活輕松，查證資料反復驗證demo的可行性，搭建各種RabbitMQ、Redis環境，只想說我太難了!
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!!!
