一口气说出 6 种延时队列的实现方法，面试官满意的笑了

柔光的暖阳◎ 2023-10-06 08:51 20阅读 0赞

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这是我的第 193 期分享

作者 | 程序员内点事

来源 | 程序员内点事（ID：chegnxy-nds）

分享 | Java中文社群（ID：javacn666）

五一期间原计划是写两篇文章，看一本技术类书籍，结果这五天由于自律性过于差，禁不住各种诱惑，我连电脑都没打开过，计划完美宣告失败。所以在这能看出和大佬之间的差距，人家没白没夜的更文，比你优秀的人比你更努力，难以望其项背，真是让我自愧不如。

知耻而后勇，这不逼着自己又学起来了，个人比较喜欢一些实践类的东西，既学习到知识又能让技术落地，能搞出个`demo`最好，本来不知道该分享什么主题，好在最近项目紧急招人中，而我有幸做了回面试官，就给大家整理分享一道面试题：“**如何实现延时队列？**”。

下边会介绍多种实现延时队列的思路，文末提供有几种实现方式的 `github`地址。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。![format_png 1][]

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。![format_png 2][]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。![format_png 3][]

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![format_png 4][]`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 ####

为了让大家更容易理解，上边的代码写的都比较简单粗糙，几种实现方式的`demo`已经都提交到`github` 地址：`https://github.com/chengxy-nds/delayqueue`，感兴趣的小伙伴可以下载跑一跑。

这篇文章肝了挺长时间，写作一点也不比上班干活轻松，查证资料反复验证demo的可行性，搭建各种`RabbitMQ`、`Redis`环境，只想说我太难了！

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！！！

#### 最后 ####

原创不易，码字不易，点个再看吧~

[史上最全的延迟任务实现方式汇总！附代码（强烈推荐）][Link 1]

[![format_png 5][]][format_png 5 1]

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/sufu1065/article/details/105507115
[format_png 5]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2pwZy9Icld3Nlp1WENzaWFUN25ub2pLV2ljTUVJVVlPaWFKQlhVTHkycFQ1Y2FSaWE3Q3VGem9pYjU1Z0hSZDc3TkZ2TGlhRFh4NHo3QjF2RHhMVmljMlBpYjBIalNnenhnLzY0MA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 5 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU1NTkwODE4Mw%3D%3D&chksm=fbcc68ccccbbe1dae2af7a65ebd8148454bf331d68006f67cfa8ca56add5df5810b173563609&idx=1&mid=2247484916&scene=21&sn=d49ea56a1725aa140fc222266c1fc32f#wechat_redirect
[format_png 6]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9tbWJpei5xcGljLmNuL21tYml6X2dpZi9Icld3Nlp1WENzZ2NIc0dkU25tUjF0UUdZMTAxYkFRT3FRcXBUZ0JOQkw2c2RMWDFzYnVabzVoSnk2R3FoY3dzS3BaTFljQklFMEg1VEw4WW5vbmc3dy82NDA?x-oss-process=image/format,png