一口氣說出“6種”延時隊列實現方法，面試官也得服
xjjdog導語：延時，是每個男人的夢想。現實中很難，但代碼中卻條條大路通羅馬。學會了這些，讓你的夢想插上翅膀。
下邊會介紹多種實現延時隊列的思路。其實哪種方式都沒有絕對的好與壞，只是看把它用在什麼業務場景中，技術這東西沒有最好的只有最合適的。
一、延時隊列的應用
什麼是延時隊列？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、訂單成功後，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，下單成功後60s給用戶推送短信。
3、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
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，就不要輕易自己重複造輪子，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複雜度成倍的增加，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）作爲排序條件，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
後取消。 
要實現 DelayQueue
延時隊列，隊中元素要 implements
Delayed
接口，這哥接口裏只有一個 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，因爲 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()
爲非阻塞獲取，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。
執行後看到結果如下， Order1
、 Order2
、 Order3
分別在 5秒
、 10秒
、 15秒
後被執行，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週期性，可能很多單子已經超時，但還沒到達觸發執行的時間點，那麼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>
在啓動類中使用 @EnableScheduling
註解開啓定時任務功能。
@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！");
}
}
3、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
來爲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
後過期。
zadd delayqueue 3 order3
消費端輪詢隊列 delayqueue
， 將元素排序後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
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，簡單來說我們開啓監聽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
文件開啓 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
在控制檯成功監聽到了這個過期的 key
。
監聽到過期的key爲：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，單位爲微秒。
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，那麼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爲準。而隊列中的消息存在隊列中的時間，一旦超過 TTL
過期時間則成爲 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
後將 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，一般爲要指定轉發的隊列。
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
，並設置 x-message-tt
消息存活時間爲30分鐘，當到達30分鐘後訂單消息A0001成爲了 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後的轉發規則
/**
* 延時隊列
*/
@Bean(name = "order.delay.queue")
public Queue getMessageQueue() {
return QueueBuilder
.durable(RabbitConstant.DEAD_LETTER_QUEUE)
// 配置到期後轉發的交換
.withArgument("x-dead-letter-exchange", "order.close.exchange")
// 配置到期後轉發的路由鍵
.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麼原理。
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錶的刻度。比如一圈 round
長度爲 24秒
，刻度數爲 8
，那麼每一個刻度表示 3秒
。那麼時間精度就是 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
後纔會執行，可時間輪一圈 round
的長度才 24秒
，那麼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，因爲 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
，只是採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，一般採用線程池； -
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，則會調整爲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之後返回的句柄，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，僅定義瞭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 後執行 ");
timer.newTimeout(this, 5, TimeUnit.SECONDS);//結束時候再次註冊
}
};
timer.newTimeout(task1, 5, TimeUnit.SECONDS);
TimerTask task2 = new TimerTask() {
public void run(Timeout timeout) throws Exception {
System.out.println("order2 10s 後執行");
timer.newTimeout(this, 10, TimeUnit.SECONDS);//結束時候再註冊
}
};
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 後執行一次");
}
}, 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
爲定時任務，按照不同的週期重複執行。
order1 5s 後執行
order2 10s 後執行
order3 15s 後執行一次
order1 5s 後執行
order2 10s 後執行
總結
可能寫的有不夠完善的地方，如哪裏有錯誤或者不明瞭的，歡迎大家踊躍指正！！！
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