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【編者的話】個人比較喜歡一些實(shí)踐類的東西，既學(xué)習(xí)到知識又能讓技術(shù)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)延時(shí)隊(duì)列？”。

下邊會介紹多種實(shí)現(xiàn)延時(shí)隊(duì)列的思路，文末提供有幾種實(shí)現(xiàn)方式的GitHub地址。其實(shí)哪種方式都沒有絕對的好與壞，只是看把它用在什么業(yè)務(wù)場景中，技術(shù)這東西沒有最好的只有最合適的。

延時(shí)隊(duì)列的應(yīng)用

什么是延時(shí)隊(duì)列？顧名思義：首先它要具有隊(duì)列的特性，再給它附加一個延遲消費(fèi)隊(duì)列消息的功能，也就是說可以指定隊(duì)列中的消息在哪個時(shí)間點(diǎn)被消費(fèi)。

延時(shí)隊(duì)列在項(xiàng)目中的應(yīng)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(nèi)沒有支付，自動取消訂單
2. 外賣平臺發(fā)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(jié)狀態(tài)時(shí)，及時(shí)處理關(guān)單，并退還庫存
4. 淘寶新建商戶一個月內(nèi)還沒上傳商品信息，將凍結(jié)商鋪等
5. ……

上邊的這些場景都可以應(yīng)用延時(shí)隊(duì)列解決。

延時(shí)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)

我個人一直秉承的觀點(diǎn)：工作上能用JDK自帶API實(shí)現(xiàn)的功能，就不要輕易自己重復(fù)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(diào)試驗(yàn)證產(chǎn)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(tǒng)復(fù)雜度成倍的增加，維護(hù)成本也大大的增加。

DelayQueue延時(shí)隊(duì)列

JDK中提供了一組實(shí)現(xiàn)延遲隊(duì)列的API，位于Java.util.concurrent包下DelayQueue。

DelayQueue是一個BlockingQueue（無界阻塞）隊(duì)列，它本質(zhì)就是封裝了一個PriorityQueue（優(yōu)先隊(duì)列），PriorityQueue內(nèi)部使用完全二叉堆（不知道的自行了解哈）來實(shí)現(xiàn)隊(duì)列元素排序，我們在向DelayQueue隊(duì)列中添加元素時(shí)，會給元素一個Delay（延遲時(shí)間）作為排序條件，隊(duì)列中最小的元素會優(yōu)先放在隊(duì)首。隊(duì)列中的元素只有到了Delay時(shí)間才允許從隊(duì)列中取出。隊(duì)列中可以放基本數(shù)據(jù)類型或自定義實(shí)體類，在存放基本數(shù)據(jù)類型時(shí)，優(yōu)先隊(duì)列中元素默認(rèn)升序排列，自定義實(shí)體類就需要我們根據(jù)類屬性值比較計(jì)算了。

先簡單實(shí)現(xiàn)一下看看效果，添加三個order入隊(duì)DelayQueue，分別設(shè)置訂單在當(dāng)前時(shí)間的5秒、10秒、15秒后取消。

要實(shí)現(xiàn)DelayQueue延時(shí)隊(duì)列，隊(duì)中元素要implements Delayed 接口，這哥接口里只有一個getDelay方法，用于設(shè)置延期時(shí)間。Order類中compareTo方法負(fù)責(zé)對隊(duì)列中的元素進(jìn)行排序。

public class Order implements Delayed {
/**
 * 延遲時(shí)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?yàn)閜ut方法內(nèi)部使用了ReentrantLock鎖進(jìn)行線程同步。DelayQueue還提供了兩種出隊(duì)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(duì)列開始時(shí)間:" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
    while (delayQueue.size() != 0) {
        /**
         * 取隊(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)入隊(duì)與出隊(duì)的操作，實(shí)際開發(fā)中會有專門的線程，負(fù)責(zé)消息的入隊(duì)與消費(fèi)。

執(zhí)行后看到結(jié)果如下，Order1、Order2、Order3 分別在 5秒、10秒、15秒后被執(zhí)行，至此就用DelayQueue實(shí)現(xiàn)了延時(shí)隊(duì)列。

訂單延遲隊(duì)列開始時(shí)間：2020-05-06 14:59:09
訂單：{Order1}被取消, 取消時(shí)間:{2020-05-06 14:59:14}
訂單：{Order2}被取消, 取消時(shí)間:{2020-05-06 14:59:19}
訂單：{Order3}被取消, 取消時(shí)間:{2020-05-06 14:59:24} 

Quartz定時(shí)任務(wù)

Quartz一款非常經(jīng)典任務(wù)調(diào)度框架，在Redis、RabbitMQ還未廣泛應(yīng)用時(shí)，超時(shí)未支付取消訂單功能都是由定時(shí)任務(wù)實(shí)現(xiàn)的。定時(shí)任務(wù)它有一定的周期性，可能很多單子已經(jīng)超時(shí)，但還沒到達(dá)觸發(fā)執(zhí)行的時(shí)間點(diǎn)，那么就會造成訂單處理的不夠及時(shí)。

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(shí)任務(wù)功能。

@EnableScheduling
@SpringBootApplication
public class DelayqueueApplication {
public static void main(String[] args) {
    SpringApplication.run(DelayqueueApplication.class, args);
}
} 

編寫一個定時(shí)任務(wù)，每個5秒執(zhí)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(shí)任務(wù)！");
}
} 

Redis sorted set

Redis的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Zset，同樣可以實(shí)現(xiàn)延遲隊(duì)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(jìn)行從小到大的排序。

通過zadd命令向隊(duì)列delayqueue中添加元素，并設(shè)置score值表示元素過期的時(shí)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(fèi)端輪詢隊(duì)列delayqueue，將元素排序后取最小時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間比對，如小于當(dāng)前時(shí)間代表已經(jīng)過期移除key。

/**
 * 消費(fèi)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(zhí)行結(jié)果符合預(yù)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(diào)

Redis的key過期回調(diào)事件，也能達(dá)到延遲隊(duì)列的效果，簡單來說我們開啟監(jiān)聽key是否過期的事件，一旦key過期會觸發(fā)一個callback事件。
修改redis.conf文件開啟notify-keyspace-events Ex。

notify-keyspace-events Ex

Redis監(jiān)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(diào)監(jiān)聽方法，必須繼承KeyExpirationEventMessageListener ，有點(diǎn)類似于MQ的消息監(jiān)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(jiān)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(shí)間。

set xiaofu 123 ex 3

在控制臺成功監(jiān)聽到了這個過期的key。

監(jiān)聽到過期的key為：xiaofu

RabbitMQ 延時(shí)隊(duì)列

利用RabbitMQ做延時(shí)隊(duì)列是比較常見的一種方式，而實(shí)際上RabbitMQ自身并沒有直接支持提供延遲隊(duì)列功能，而是通過 RabbitMQ 消息隊(duì)列的 TTL和 DXL這兩個屬性間接實(shí)現(xiàn)的。

先來認(rèn)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(shí)間，RabbitMQ可以通過x-message-tt參數(shù)來設(shè)置指定Queue（隊(duì)列）和 Message（消息）上消息的存活時(shí)間，它的值是一個非負(fù)整數(shù)，單位為微秒。

RabbitMQ 可以從兩種維度設(shè)置消息過期時(shí)間，分別是隊(duì)列和消息本身：

• 設(shè)置隊(duì)列過期時(shí)間，那么隊(duì)列中所有消息都具有相同的過期時(shí)間。
• 設(shè)置消息過期時(shí)間，對隊(duì)列中的某一條消息設(shè)置過期時(shí)間，每條消息TTL都可以不同。

如果同時(shí)設(shè)置隊(duì)列和隊(duì)列中消息的TTL，則TTL值以兩者中較小的值為準(zhǔn)。而隊(duì)列中的消息存在隊(duì)列中的時(shí)間，一旦超過TTL過期時(shí)間則成為Dead Letter（死信）。

Dead Letter Exchanges（DLX）：

DLX即死信交換機(jī)，綁定在死信交換機(jī)上的即死信隊(duì)列。RabbitMQ的Queue（隊(duì)列）可以配置兩個參數(shù)x-dead-letter-exchange和x-dead-letter-routing-key（可選），一旦隊(duì)列內(nèi)出現(xiàn)了Dead Letter（死信），則按照這兩個參數(shù)可以將消息重新路由到另一個Exchange（交換機(jī)），讓消息重新被消費(fèi)。

x-dead-letter-exchange：隊(duì)列中出現(xiàn)Dead Letter后將Dead Letter重新路由轉(zhuǎn)發(fā)到指定 exchange（交換機(jī)）。

x-dead-letter-routing-key：指定routing-key發(fā)送，一般為要指定轉(zhuǎn)發(fā)的隊(duì)列。

隊(duì)列出現(xiàn)Dead Letter的情況有：

• 消息或者隊(duì)列的TTL過期
• 隊(duì)列達(dá)到最大長度
• 消息被消費(fèi)端拒絕（basic.reject or basic.nack）

下邊結(jié)合一張圖看看如何實(shí)現(xiàn)超30分鐘未支付關(guān)單功能，我們將訂單消息A0001發(fā)送到延遲隊(duì)列order.delay.queue，并設(shè)置x-message-tt消息存活時(shí)間為30分鐘，當(dāng)?shù)竭_(dá)30分鐘后訂單消息A0001成為了Dead Letter（死信），延遲隊(duì)列檢測到有死信，通過配置x-dead-letter-exchange，將死信重新轉(zhuǎn)發(fā)到能正常消費(fèi)的關(guān)單隊(duì)列，直接監(jiān)聽關(guān)單隊(duì)列處理關(guān)單邏輯即可。

發(fā)送消息時(shí)指定消息延遲的時(shí)間。

public void send(String delayTimes) {
    amqpTemplate.convertAndSend("order.pay.exchange", "order.pay.queue","大家好我是延遲數(shù)據(jù)", message -> {
        // 設(shè)置延遲毫秒值
        message.getMessageProperties().setExpiration(String.valueOf(delayTimes));
        return message;
    });
}
} 

設(shè)置延遲隊(duì)列出現(xiàn)死信后的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。

/**
 * 延時(shí)隊(duì)列
 */
@Bean(name = "order.delay.queue")
public Queue getMessageQueue() {
    return QueueBuilder
            .durable(RabbitConstant.DEAD_LETTER_QUEUE)
            // 配置到期后轉(zhuǎn)發(fā)的交換
            .withArgument("x-dead-letter-exchange", "order.close.exchange")
            // 配置到期后轉(zhuǎn)發(fā)的路由鍵
            .withArgument("x-dead-letter-routing-key", "order.close.queue")
            .build();
} 

時(shí)間輪

前邊幾種延時(shí)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方法相對簡單，比較容易理解，時(shí)間輪算法就稍微有點(diǎn)抽象了。Kafka、Netty都有基于時(shí)間輪算法實(shí)現(xiàn)延時(shí)隊(duì)列，下邊主要實(shí)踐Netty的延時(shí)隊(duì)列講一下時(shí)間輪是什么原理。

先來看一張時(shí)間輪的原理圖，解讀一下時(shí)間輪的幾個基本概念。

wheel：時(shí)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(shù)為8，那么每一個刻度表示3秒。那么時(shí)間精度就是3秒。時(shí)間長度/刻度數(shù)值越大，精度越大。

當(dāng)添加一個定時(shí)、延時(shí)任務(wù)A，假如會延遲25秒后才會執(zhí)行，可時(shí)間輪一圈round的長度才24秒，那么此時(shí)會根據(jù)時(shí)間輪長度和刻度得到一個圈數(shù)round和對應(yīng)的指針位置index，也是就任務(wù)A會繞一圈指向0格子上，此時(shí)時(shí)間輪會記錄該任務(wù)的round和index信息。當(dāng)round=0，index=0，指針指向0格子，任務(wù)A并不會執(zhí)行，因?yàn)閞ound=0不滿足要求。

所以每一個格子代表的是一些時(shí)間，比如1秒和25秒都會指向0格子上，而任務(wù)則放在每個格子對應(yīng)的鏈表中，這點(diǎn)和HashMap的數(shù)據(jù)有些類似。

Netty構(gòu)建延時(shí)隊(duì)列主要用HashedWheelTimer，HashedWheelTimer底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依然是使用DelayedQueue，只是采用時(shí)間輪的算法來實(shí)現(xiàn)。
下面我們用Netty 簡單實(shí)現(xiàn)延時(shí)隊(duì)列，HashedWheelTimer構(gòu)造函數(shù)比較多，解釋一下各參數(shù)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(shí)間間隔，默認(rèn)100ms；
• ticksPerWheel：一圈下來有幾格，默認(rèn)512，而如果傳入數(shù)值的不是2的N次方，則會調(diào)整為大于等于該參數(shù)的一個2的N次方數(shù)值，有利于優(yōu)化hash值的計(jì)算。

public HashedWheelTimer(ThreadFactory threadFactory, long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel) {
    this(threadFactory, tickDuration, unit, ticksPerWheel, true);
} 

• TimerTask：一個定時(shí)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)接口，其中run方法包裝了定時(shí)任務(wù)的邏輯。
• Timeout：一個定時(shí)任務(wù)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(shí)任務(wù)，并對定時(shí)任務(wù)的狀態(tài)進(jìn)行一些基本的判斷。
• Timer：是HashedWheelTimer實(shí)現(xiàn)的父接口，僅定義了如何提交定時(shí)任務(wù)和如何停止整個定時(shí)機(jī)制。

public class NettyDelayQueue {

public static void main(String[] args) {

    final Timer timer = new HashedWheelTimer(Executors.defaultThreadFactory(), 5, TimeUnit.SECONDS, 2);

    //定時(shí)任務(wù)
    TimerTask task1 = new TimerTask() {
        public void run(Timeout timeout) throws Exception {
            System.out.println("order1  5s 后執(zhí)行 ");
            timer.newTimeout(this, 5, TimeUnit.SECONDS);//結(jié)束時(shí)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(zhí)行");
            timer.newTimeout(this, 10, TimeUnit.SECONDS);//結(jié)束時(shí)候再注冊
        }
    };

    timer.newTimeout(task2, 10, TimeUnit.SECONDS);

    //延遲任務(wù)
    timer.newTimeout(new TimerTask() {
        public void run(Timeout timeout) throws Exception {
            System.out.println("order3  15s 后執(zhí)行一次");
        }
    }, 15, TimeUnit.SECONDS);

}
} 

從執(zhí)行的結(jié)果看，order3、order3延時(shí)任務(wù)只執(zhí)行了一次，而order2、order1為定時(shí)任務(wù)，按照不同的周期重復(fù)執(zhí)行。

order1  5s 后執(zhí)行 
order2  10s 后執(zhí)行
order3  15s 后執(zhí)行一次
order1  5s 后執(zhí)行 
order2  10s 后執(zhí)行

總結(jié)

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(shí)現(xiàn)方式的demo已經(jīng)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！

原文鏈接：https://juejin.im/post/5eb4bb615188256d7674a7fb