一口气说出“6种”延时队列实现方法，面试官也得服
xjjdog导语：延时，是每个男人的梦想。现实中很难，但代码中却条条大路通罗马。学会了这些，让你的梦想插上翅膀。
下边会介绍多种实现延时队列的思路。其实哪种方式都没有绝对的好与坏，只是看把它用在什么业务场景中，技术这东西没有最好的只有最合适的。
一、延时队列的应用
什么是延时队列？顾名思义：首先它要具有队列的特性，再给它附加一个延迟消费队列消息的功能，也就是说可以指定队列中的消息在哪个时间点被消费。
延时队列在项目中的应用还是比较多的，尤其像电商类平台：
1、订单成功后，在30分钟内没有支付，自动取消订单
2、外卖平台发送订餐通知，下单成功后60s给用户推送短信。
3、如果订单一直处于某一个未完结状态时，及时处理关单，并退还库存
4、淘宝新建商户一个月内还没上传商品信息，将冻结商铺等
。。。。
上边的这些场景都可以应用延时队列解决。
二、延时队列的实现
我个人一直秉承的观点：工作上能用 JDK
自带 API
实现的功能，就不要轻易自己重复造轮子，或者引入三方中间件。一方面自己封装很容易出问题（大佬除外），再加上调试验证产生许多不必要的工作量；另一方面一旦接入三方的中间件就会让系统复杂度成倍的增加，维护成本也大大的增加。
1、DelayQueue 延时队列
JDK
中提供了一组实现延迟队列的 API
，位于 Java.util.concurrent
包下 DelayQueue
。
DelayQueue
是一个 BlockingQueue
（无界阻塞）队列，它本质就是封装了一个 PriorityQueue
（优先队列）， PriorityQueue
内部使用 完全二叉堆
（不知道的自行了解哈）来实现队列元素排序，我们在向 DelayQueue
队列中添加元素时，会给元素一个 Delay
（延迟时间）作为排序条件，队列中最小的元素会优先放在队首。队列中的元素只有到了 Delay
时间才允许从队列中取出。队列中可以放基本数据类型或自定义实体类，在存放基本数据类型时，优先队列中元素默认升序排列，自定义实体类就需要我们根据类属性值比较计算了。
先简单实现一下看看效果，添加三个 order
入队 DelayQueue
，分别设置订单在当前时间的 5秒
、 10秒
、 15秒
后取消。 
要实现 DelayQueue
延时队列，队中元素要 implements
Delayed
接口，这哥接口里只有一个 getDelay
方法，用于设置延期时间。 Order
类中 compareTo
方法负责对队列中的元素进行排序。
public class Order implements Delayed {
/**
* 延迟时间
*/
@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
方法是线程安全的，因为 put
方法内部使用了 ReentrantLock
锁进行线程同步。 DelayQueue
还提供了两种出队的方法 poll()
和 take()
， poll()
为非阻塞获取，没有到期的元素直接返回null； take()
阻塞方式获取，没有到期的元素线程将会等待。
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("订单延迟队列开始时间:" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
while (delayQueue.size() != 0) {
/**
* 取队列头部元素是否过期
*/
Order task = delayQueue.poll();
if (task != null) {
System.out.format("订单:{%s}被取消, 取消时间:{%s}\n", task.name, LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
}
Thread.sleep(1000);
}
}
}
上边只是简单的实现入队与出队的操作，实际开发中会有专门的线程，负责消息的入队与消费。
执行后看到结果如下， Order1
、 Order2
、 Order3
分别在 5秒
、 10秒
、 15秒
后被执行，至此就用 DelayQueue
实现了延时队列。
订单延迟队列开始时间:2020-05-06 14:59:09
订单:{Order1}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:14}
订单:{Order2}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:19}
订单:{Order3}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:24}
2、Quartz 定时任务
Quartz
一款非常经典任务调度框架，在 Redis
、 RabbitMQ
还未广泛应用时，超时未支付取消订单功能都是由定时任务实现的。定时任务它有一定的周期性，可能很多单子已经超时，但还没到达触发执行的时间点，那么就会造成订单处理的不够及时。
引入 quartz
框架依赖包
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-quartz</artifactId>
</dependency>
在启动类中使用 @EnableScheduling
注解开启定时任务功能。
@EnableScheduling
@SpringBootApplication
public class DelayqueueApplication {
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(DelayqueueApplication.class, args);
}
}
编写一个定时任务，每个5秒执行一次。
@Component
public class QuartzDemo {
//每隔五秒
@Scheduled(cron = "0/5 * * * * ? ")
public void process(){
System.out.println("我是定时任务！");
}
}
3、Redis sorted set
Redis
的数据结构 Zset
，同样可以实现延迟队列的效果，主要利用它的 score
属性， redis
通过 score
来为集合中的成员进行从小到大的排序。 
通过 zadd
命令向队列 delayqueue
中添加元素，并设置 score
值表示元素过期的时间；向 delayqueue
添加三个 order1
、 order2
、 order3
，分别是 10秒
、 20秒
、 30秒
后过期。
zadd delayqueue 3 order3
消费端轮询队列 delayqueue
， 将元素排序后取最小时间与当前时间比对，如小于当前时间代表已经过期移除 key
。
/**
* 消费消息
*/
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);
}
}
我们看到执行结果符合预期
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 过期回调
Redis
的 key
过期回调事件，也能达到延迟队列的效果，简单来说我们开启监听key是否过期的事件，一旦key过期会触发一个callback事件。
修改 redis.conf
文件开启 notify-keyspace-events Ex
notify-keyspace-events Ex
Redis
监听配置，注入Bean RedisMessageListenerContainer
@Configuration
public class RedisListenerConfig {
@Bean
RedisMessageListenerContainer container(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
RedisMessageListenerContainer container = new RedisMessageListenerContainer();
container.setConnectionFactory(connectionFactory);
return container;
}
}
编写Redis过期回调监听方法，必须继承 KeyExpirationEventMessageListener
，有点类似于MQ的消息监听。
@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("监听到key：" + expiredKey + "已过期");
}
}
到这代码就编写完成，非常的简单，接下来测试一下效果，在 redis-cli
客户端添加一个 key
并给定 3s
的过期时间。
set xiaofu 123 ex 3
在控制台成功监听到了这个过期的 key
。
监听到过期的key为：xiaofu
5、RabbitMQ 延时队列
利用 RabbitMQ
做延时队列是比较常见的一种方式，而实际上 RabbitMQ
自身并没有直接支持提供延迟队列功能，而是通过 RabbitMQ
消息队列的 TTL
和 DXL
这两个属性间接实现的。
先来认识一下 TTL
和 DXL
两个概念：
Time To Live
( TTL
) ：
TTL
顾名思义：指的是消息的存活时间， RabbitMQ
可以通过 x-message-tt
参数来设置指定 Queue
（队列）和 Message
（消息）上消息的存活时间，它的值是一个非负整数，单位为微秒。
RabbitMQ
可以从两种维度设置消息过期时间，分别是 队列
和 消息本身
-
设置队列过期时间，那么队列中所有消息都具有相同的过期时间。
-
设置消息过期时间，对队列中的某一条消息设置过期时间，每条消息
TTL都可以不同。
如果同时设置队列和队列中消息的 TTL
，则 TTL
值以两者中较小的值为准。而队列中的消息存在队列中的时间，一旦超过 TTL
过期时间则成为 Dead Letter
（死信）。
Dead Letter Exchanges
（ DLX
）
DLX
即死信交换机，绑定在死信交换机上的即死信队列。 RabbitMQ
的 Queue
（队列）可以配置两个参数 x-dead-letter-exchange
和 x-dead-letter-routing-key
（可选），一旦队列内出现了 Dead Letter
（死信），则按照这两个参数可以将消息重新路由到另一个 Exchange
（交换机），让消息重新被消费。
x-dead-letter-exchange
：队列中出现 Dead Letter
后将 Dead Letter
重新路由转发到指定 exchange
（交换机）。
x-dead-letter-routing-key
：指定 routing-key
发送，一般为要指定转发的队列。
队列出现 Dead Letter
的情况有：
-
消息或者队列的
TTL过期 -
队列达到最大长度
-
消息被消费端拒绝（basic.reject or basic.nack）
下边结合一张图看看如何实现超30分钟未支付关单功能，我们将订单消息A0001发送到延迟队列 order.delay.queue
，并设置 x-message-tt
消息存活时间为30分钟，当到达30分钟后订单消息A0001成为了 Dead Letter
（死信），延迟队列检测到有死信，通过配置 x-dead-letter-exchange
，将死信重新转发到能正常消费的关单队列，直接监听关单队列处理关单逻辑即可。 
发送消息时指定消息延迟的时间
public void send(String delayTimes) {
amqpTemplate.convertAndSend("order.pay.exchange", "order.pay.queue","大家好我是延迟数据", message -> {
// 设置延迟毫秒值
message.getMessageProperties().setExpiration(String.valueOf(delayTimes));
return message;
});
}
}
设置延迟队列出现死信后的转发规则
/**
* 延时队列
*/
@Bean(name = "order.delay.queue")
public Queue getMessageQueue() {
return QueueBuilder
.durable(RabbitConstant.DEAD_LETTER_QUEUE)
// 配置到期后转发的交换
.withArgument("x-dead-letter-exchange", "order.close.exchange")
// 配置到期后转发的路由键
.withArgument("x-dead-letter-routing-key", "order.close.queue")
.build();
}
6、时间轮
前边几种延时队列的实现方法相对简单，比较容易理解，时间轮算法就稍微有点抽象了。 kafka
、 netty
都有基于时间轮算法实现延时队列，下边主要实践 Netty
的延时队列讲一下时间轮是什么原理。
先来看一张时间轮的原理图，解读一下时间轮的几个基本概念 
wheel
：时间轮，图中的圆盘可以看作是钟表的刻度。比如一圈 round
长度为 24秒
，刻度数为 8
，那么每一个刻度表示 3秒
。那么时间精度就是 3秒
。时间长度 / 刻度数值越大，精度越大。
当添加一个定时、延时 任务A
，假如会延迟 25秒
后才会执行，可时间轮一圈 round
的长度才 24秒
，那么此时会根据时间轮长度和刻度得到一个圈数 round
和对应的指针位置 index
，也是就 任务A
会绕一圈指向 0格子
上，此时时间轮会记录该任务的 round
和 index
信息。当round=0，index=0 ，指针指向 0格子
任务A
并不会执行，因为 round=0不满足要求。
所以每一个格子代表的是一些时间，比如 1秒
和 25秒
都会指向0格子上，而任务则放在每个格子对应的链表中，这点和 HashMap
的数据有些类似。
Netty
构建延时队列主要用 HashedWheelTimer
， HashedWheelTimer
底层数据结构依然是使用 DelayedQueue
，只是采用时间轮的算法来实现。
下面我们用 Netty
简单实现延时队列， HashedWheelTimer
构造函数比较多，解释一下各参数的含义。
-
ThreadFactory：表示用于生成工作线程，一般采用线程池； -
tickDuration和unit：每格的时间间隔，默认100ms； -
ticksPerWheel：一圈下来有几格，默认512，而如果传入数值的不是2的N次方，则会调整为大于等于该参数的一个2的N次方数值，有利于优化hash值的计算。
public HashedWheelTimer(ThreadFactory threadFactory, long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel) {
this(threadFactory, tickDuration, unit, ticksPerWheel, true);
}
-
TimerTask：一个定时任务的实现接口，其中run方法包装了定时任务的逻辑。 -
Timeout：一个定时任务提交到Timer之后返回的句柄，通过这个句柄外部可以取消这个定时任务，并对定时任务的状态进行一些基本的判断。 -
Timer：是HashedWheelTimer实现的父接口，仅定义了如何提交定时任务和如何停止整个定时机制。
public class NettyDelayQueue {
public static void main(String[] args) {
final Timer timer = new HashedWheelTimer(Executors.defaultThreadFactory(), 5, TimeUnit.SECONDS, 2);
//定时任务
TimerTask task1 = new TimerTask() {
public void run(Timeout timeout) throws Exception {
System.out.println("order1 5s 后执行 ");
timer.newTimeout(this, 5, TimeUnit.SECONDS);//结束时候再次注册
}
};
timer.newTimeout(task1, 5, TimeUnit.SECONDS);
TimerTask task2 = new TimerTask() {
public void run(Timeout timeout) throws Exception {
System.out.println("order2 10s 后执行");
timer.newTimeout(this, 10, TimeUnit.SECONDS);//结束时候再注册
}
};
timer.newTimeout(task2, 10, TimeUnit.SECONDS);
//延迟任务
timer.newTimeout(new TimerTask() {
public void run(Timeout timeout) throws Exception {
System.out.println("order3 15s 后执行一次");
}
}, 15, TimeUnit.SECONDS);
}
}
从执行的结果看， order3
、 order3
延时任务只执行了一次，而 order2
、 order1
为定时任务，按照不同的周期重复执行。
order1 5s 后执行
order2 10s 后执行
order3 15s 后执行一次
order1 5s 后执行
order2 10s 后执行
总结
可能写的有不够完善的地方，如哪里有错误或者不明了的，欢迎大家踊跃指正！！！
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