延時佇列的6個實現方案
一、延時佇列的應用
什麼是延時佇列？顧名思義：首先它要具有佇列的特性，再給它附加一個延遲消費佇列訊息的功能，也就是說可以指定佇列中的訊息在哪個時間點被消費。
延時佇列在專案中的應用還是比較多的，尤其像電商類平臺：
- 訂單成功後，在30分鐘內沒有支付，自動取消訂單
- 外賣平臺傳送訂餐通知，下單成功後60s給使用者推送簡訊。
- 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
- 淘寶新建商戶一個月內還沒上傳商品資訊，將凍結商鋪等
- ……
上邊的這些場景都可以應用延時佇列解決。
二、延時佇列的實現
2.1DelayQueue延時佇列
JDK中提供了一組實現延遲佇列的API，位於Java.util.concurrent包下DelayQueue。
DelayQueue是一個BlockingQueue（無界阻塞）佇列，它本質就是封裝了一個PriorityQueue（優先佇列），PriorityQueue內部使用完全二叉堆（不知道的自行了解哈）來實現佇列元素排序，我們在向DelayQueue佇列中新增元素時，會給元素一個Delay（延遲時間）作為排序條件，佇列中最小的元素會優先放在隊首。佇列中的元素只有到了Delay時間才允許從佇列中取出。佇列中可以放基本資料型別或自定義實體類，在存放基本資料型別時，優先佇列中元素預設升序排列，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，新增三個order入隊DelayQueue，分別設定訂單在當前時間的5秒、10秒、15秒後取消。
要實現DelayQueue延時佇列，隊中元素要implements Delayed 介面，這哥接口裡只有一個getDelay方法，用於設定延期時間。Order類中compareTo方法負責對佇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, longtime, 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方法是執行緒安全的，因為put方法內部使用了ReentrantLock鎖進行執行緒同步。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，沒有到期的元素執行緒將會等待。
1 public class DelayQueueDemo { 2 3 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 4 Order Order1 = new Order("Order1", 5, TimeUnit.SECONDS); 5 Order Order2 = new Order("Order2", 10, TimeUnit.SECONDS); 6 Order Order3 = new Order("Order3", 15, TimeUnit.SECONDS); 7 DelayQueue<Order> delayQueue = new DelayQueue<>(); 8 delayQueue.put(Order1); 9 delayQueue.put(Order2); 10 delayQueue.put(Order3); 11 12 System.out.println("訂單延遲佇列開始時間:" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"))); 13 while (delayQueue.size() != 0) { 14 /** 15 * 取佇列頭部元素是否過期 16 */ 17 Order task = delayQueue.poll(); 18 if (task != null) { 19 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"))); 20 } 21 Thread.sleep(1000); 22 } 23 } 24 }
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執行緒，負責訊息的入隊與消費。
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實現了延時佇列。
訂單延遲佇列開始時間：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}
2.2Quartz定時任務
Quartz一款非常經典任務排程框架，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>
在啟動類中使用@EnableScheduling註解開啟定時任務功能。
1 @EnableScheduling 2 @SpringBootApplication 3 public class DelayqueueApplication { 4 public static void main(String[] args) { 5 SpringApplication.run(DelayqueueApplication.class, args); 6 } 7 }
編寫一個定時任務，每個5秒執行一次。
1 @Component 2 public class QuartzDemo { 3 4 //每隔五秒 5 @Scheduled(cron = "0/5 * * * * ? ") 6 public void process(){ 7 System.out.println("我是定時任務！"); 8 } 9 }
2.3Redis sorted set
Redis的資料結構Zset，同樣可以實現延遲佇列的效果，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命令向佇列delayqueue中新增元素，並設定score值表示元素過期的時間；向delayqueue新增三個order1、order2、order3，分別是10秒、20秒、30秒後過期。
zadd delayqueue 3 order3
消費端輪詢佇列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。
1 /** 2 * 消費訊息 3 */ 4 public void pollOrderQueue() { 5 6 while (true) { 7 Set<Tuple> set = jedis.zrangeWithScores(DELAY_QUEUE, 0, 0); 8 9 String value = ((Tuple) set.toArray()[0]).getElement(); 10 int score = (int) ((Tuple) set.toArray()[0]).getScore(); 11 12 Calendar cal = Calendar.getInstance(); 13 int nowSecond = (int) (cal.getTimeInMillis() / 1000); 14 if (nowSecond >= score) { 15 jedis.zrem(DELAY_QUEUE, value); 16 System.out.println(sdf.format(new Date()) + " removed key:" + value); 17 } 18 19 if (jedis.zcard(DELAY_QUEUE) <= 0) { 20 System.out.println(sdf.format(new Date()) + " zset empty "); 21 return; 22 } 23 Thread.sleep(1000); 24 } 25 }
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
2.4Redis過期回撥
Redis的key過期回撥事件，也能達到延遲佇列的效果，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檔案開啟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過期回撥監聽方法，必須繼承KeyExpirationEventMessageListener ，有點類似於MQ的訊息監聽。
1 @Component 2 public class RedisKeyExpirationListener extends KeyExpirationEventMessageListener { 3 4 public RedisKeyExpirationListener(RedisMessageListenerContainer listenerContainer) { 5 super(listenerContainer); 6 } 7 @Override 8 public void onMessage(Message message, byte[] pattern) { 9 String expiredKey = message.toString(); 10 System.out.println("監聽到key：" + expiredKey + "已過期"); 11 } 12 }
到這程式碼就編寫完成，非常的簡單，接下來測試一下效果，在redis-cli客戶端新增一個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為：xiaofu
2.5RabbitMQ 延時佇列
利用RabbitMQ做延時佇列是比較常見的一種方式，而實際上RabbitMQ自身並沒有直接支援提供延遲佇列功能，而是通過 RabbitMQ 訊息佇列的 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：指的是訊息的存活時間，RabbitMQ可以通過x-message-tt引數來設定指定Queue（佇列）和 Message（訊息）上訊息的存活時間，它的值是一個非負整數，單位為微秒。
RabbitMQ 可以從兩種維度設定訊息過期時間，分別是佇列和訊息本身：
- 設定佇列過期時間，那麼佇列中所有訊息都具有相同的過期時間。
- 設定訊息過期時間，對佇列中的某一條訊息設定過期時間，每條訊息TTL都可以不同。
如果同時設定佇列和佇列中訊息的TTL，則TTL值以兩者中較小的值為準。而佇列中的訊息存在佇列中的時間，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，繫結在死信交換機上的即死信佇列。RabbitMQ的Queue（佇列）可以配置兩個引數x-dead-letter-exchange和x-dead-letter-routing-key（可選），一旦佇列內出現了Dead Letter（死信），則按照這兩個引數可以將訊息重新路由到另一個Exchange（交換機），讓訊息重新被消費。
x-dead-letter-exchange：佇列中出現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傳送，一般為要指定轉發的佇列。
隊列出現Dead Letter的情況有：
- 訊息或者佇列的TTL過期
- 佇列達到最大長度
- 訊息被消費端拒絕（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，我們將訂單訊息A0001傳送到延遲佇列order.delay.queue，並設定x-message-tt訊息存活時間為30分鐘，當到達30分鐘後訂單訊息A0001成為了Dead Letter（死信），延遲佇列檢測到有死信，通過配置x-dead-letter-exchange，將死信重新轉發到能正常消費的關單佇列，直接監聽關單佇列處理關單邏輯即可。
傳送訊息時指定訊息延遲的時間。
public void send(String delayTimes) { amqpTemplate.convertAndSend("order.pay.exchange", "order.pay.queue","大家好我是延遲資料", message -> { // 設定延遲毫秒值 message.getMessageProperties().setExpiration(String.valueOf(delayTimes)); return message; }); } }
設定延遲隊列出現死信後的轉發規則。
/** * 延時佇列 */ @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(); }
2.6時間輪
前邊幾種延時佇列的實現方法相對簡單，比較容易理解，時間輪演算法就稍微有點抽象了。Kafka、Netty都有基於時間輪演算法實現延時佇列，下邊主要實踐Netty的延時佇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長度為24秒，刻度數為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。
當新增一個定時、延時任務A，假如會延遲25秒後才會執行，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和對應的指標位置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資訊。當round=0，index=0，指標指向0格子，任務A並不會執行，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連結串列中，這點和HashMap的資料有些類似。
Netty構建延時佇列主要用HashedWheelTimer，HashedWheelTimer底層資料結構依然是使用DelayedQueue，只是採用時間輪的演算法來實現。
下面我們用Netty 簡單實現延時佇列，HashedWheelTimer建構函式比較多，解釋一下各引數的含義。
- ThreadFactory ：表示用於生成工作執行緒，一般採用執行緒池；
- tickDuration和unit：每格的時間間隔，預設100ms；
- ticksPerWheel：一圈下來有幾格，預設512，而如果傳入數值的不是2的N次方，則會調整為大於等於該引數的一個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介面，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之後返回的控制代碼，通過這個控制代碼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實現的父介面，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為定時任務，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
三、總結
為了讓大家更容易理解，上邊的程式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，感興趣的小夥伴可以下載跑一跑。
可能寫的有不夠完善的地方，如哪裡有錯誤或者不明瞭的，歡迎大家踴躍指正！
原文連結：https://juejin.im/post/5eb4bb615188256d7674a7fb