Java阻塞延遲隊(duì)列DelayQueue原理及使用詳解
前言
從阻塞隊(duì)列說(shuō)起,阻塞隊(duì)列(BlockingQueue)是一個(gè)支持兩個(gè)附加操作的隊(duì)列。
這兩個(gè)附加的操作是:在隊(duì)列為空時(shí),從隊(duì)列中獲取元素的消費(fèi)者線程會(huì)一直等待直到隊(duì)列變?yōu)榉强铡?/p>
當(dāng)隊(duì)列滿時(shí),向隊(duì)列中放置元素的生產(chǎn)者線程會(huì)等待直到隊(duì)列可用。
阻塞隊(duì)列常用于生產(chǎn)者和消費(fèi)者的場(chǎng)景,生產(chǎn)者是往隊(duì)列里添加元素的線程,消費(fèi)者是從隊(duì)列里拿元素的線程。
在阻塞隊(duì)列不可用時(shí),這兩個(gè)附加操作提供了4種處理方式:

- 拋出異常:當(dāng)隊(duì)列滿時(shí),插入元素會(huì)拋出IllegalStateException;
- 返回特殊值:offer()是入隊(duì)方法,當(dāng)插入成功時(shí)返回true,插入失敗返回false;poll()是出隊(duì)方法,當(dāng)出隊(duì)成功時(shí)返回元素的值,隊(duì)列為空時(shí)返回null
- 一直阻塞:當(dāng)隊(duì)列滿時(shí),阻塞執(zhí)行插入方法的線程;當(dāng)隊(duì)列空時(shí),阻塞執(zhí)行出隊(duì)方法的線程
- 超時(shí)退出:顧名思義
下面是Java常見(jiàn)的阻塞隊(duì)列。
- ArrayBlockingQueue :一個(gè)由數(shù)組結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列
- LinkedBlockingQueue :一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的有界阻塞隊(duì)列
- PriorityBlockingQueue :一個(gè)支持優(yōu)先級(jí)排序的無(wú)界阻塞隊(duì)列
- DelayQueue:一個(gè)使用優(yōu)先級(jí)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的無(wú)界阻塞隊(duì)列
- SynchronousQueue:一個(gè)不存儲(chǔ)元素的阻塞隊(duì)列
- LinkedTransferQueue:一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的無(wú)界阻塞隊(duì)列
- LinkedBlockingDeque:一個(gè)由鏈表結(jié)構(gòu)組成的雙向阻塞隊(duì)列
DelayQueue解析
DelayQueue隊(duì)列中每個(gè)元素都有一個(gè)過(guò)期時(shí)間,并且隊(duì)列是個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列,當(dāng)從隊(duì)列獲取元素的時(shí)候,只有過(guò)期元素才會(huì)出隊(duì),DelayQueue的類結(jié)構(gòu)如下圖所示:

如圖DelayQueue中內(nèi)部使用的是PriorityQueue存放數(shù)據(jù),使用ReentrantLock實(shí)現(xiàn)線程同步。
另外隊(duì)列里面的元素要實(shí)現(xiàn)Delayed接口,一個(gè)是獲取當(dāng)前剩余時(shí)間的接口,一個(gè)是元素比較的接口,因?yàn)檫@個(gè)是有優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列。
DelayQueue類的主要成員
public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E> {
// 持有內(nèi)部重入鎖。
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 優(yōu)先級(jí)隊(duì)列,存放工作任務(wù)。
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
private Thread leader = null;
// 依賴于重入鎖的condition。
private final Condition available = lock.newCondition();
}元素入隊(duì)列
插入元素到隊(duì)列中主要三個(gè)方法,但實(shí)際上底層調(diào)用的都是offer(e)方法
/**
* Inserts the specified element into this delay queue.
*
* @param e the element to add
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
* @throws NullPointerException if the specified element is null
*/
public boolean add(E e) {
return offer(e);
}
/**
* Inserts the specified element into this delay queue. As the queue is
* unbounded this method will never block.
*
* @param e the element to add
* @throws NullPointerException {@inheritDoc}
*/
public void put(E e) {
offer(e);
}
/**
* Inserts the specified element into this delay queue.
*
* @param e the element to add
* @return {@code true}
* @throws NullPointerException if the specified element is null
*/
public boolean offer(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//獲取到重入鎖
lock.lock();
try {
q.offer(e);
//添加成功元素
if (q.peek() == e) {
leader = null;
//將等待隊(duì)列中的頭節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到同步隊(duì)列。
available.signal();
}
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}首先獲取獨(dú)占鎖,然后添加元素到優(yōu)先級(jí)隊(duì)列,由于q是優(yōu)先級(jí)隊(duì)列,所以添加完元素后,peek()方法返回的并不一定是剛才添加的元素,如果判斷為true,說(shuō)明當(dāng)前元素e的優(yōu)先級(jí)最小也就是即將過(guò)期的,這時(shí)候激活avaliable變量條件隊(duì)列里面的線程,通知它們隊(duì)列里面有元素了。
從隊(duì)列中取元素
有兩個(gè)方法可以取元素(都是取隊(duì)頭),poll()方法取隊(duì)頭當(dāng)隊(duì)頭元素沒(méi)過(guò)期時(shí)返回null,take()方法取隊(duì)頭當(dāng)隊(duì)頭元素沒(méi)過(guò)期時(shí)會(huì)一直等待。
/**
* Retrieves and removes the head of this queue, or returns {@code null}
* if this queue has no elements with an expired delay.
*
* @return the head of this queue, or {@code null} if this
* queue has no elements with an expired delay
*/
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
E first = q.peek();
//如果隊(duì)列為空,或者不為空但是隊(duì)頭元素沒(méi)有過(guò)期則返回null
if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
return null;
else
return q.poll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* Retrieves and removes the head of this queue, waiting if necessary
* until an element with an expired delay is available on this queue.
*
* @return the head of this queue
* @throws InterruptedException {@inheritDoc}
*/
public E take() throws InterruptedException {
// 獲取鎖。每個(gè)延遲隊(duì)列內(nèi)聚了一個(gè)重入鎖。
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 獲取可中斷的鎖。
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
// 嘗試從優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中獲取隊(duì)列頭部元素,獲取但不移除
E first = q.peek();
if (first == null)
//無(wú)元素,當(dāng)前線程節(jié)點(diǎn)加入等待隊(duì)列,并阻塞當(dāng)前線程
available.await();
else {
// 通過(guò)延遲任務(wù)的getDelay()方法獲取延遲時(shí)間
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
if (delay <= 0)
//延遲時(shí)間到期,獲取并刪除頭部元素。
return q.poll();
first = null; // don't retain ref while waiting
if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
// 線程節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待隊(duì)列 x 納秒。
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
// 若還存在元素的話,則將等待隊(duì)列頭節(jié)點(diǎn)中的線程節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到同步隊(duì)列中。
if (leader == null && q.peek() != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}重點(diǎn)說(shuō)一下take()方法,第一次調(diào)用take時(shí)候由于隊(duì)列空,所以把當(dāng)前線程放入available的條件隊(duì)列中等待,當(dāng)執(zhí)行offer()成功并且添加的新元素恰好就是優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的隊(duì)首時(shí)就會(huì)通知最先等待的線程激活,循環(huán)重新獲取隊(duì)首元素,這時(shí)候first假如不空,則調(diào)用getDelay()方法看該元素還剩下多少時(shí)間就過(guò)期了,如果delay<=0則說(shuō)明已經(jīng)過(guò)期,則直接出隊(duì)返回。
否則看leader是否為null,不為null則說(shuō)明是其他線程也在執(zhí)行take()則把當(dāng)前線程放入條件隊(duì)列,否則就是只有當(dāng)前線程在執(zhí)行take()方法,則當(dāng)前線程await直到剩余過(guò)期時(shí)間到,這期間該線程會(huì)釋放鎖,所以其他線程可以offer()添加元素,也可以take()阻塞自己,剩余過(guò)期時(shí)間到后,當(dāng)前線程會(huì)重新競(jìng)爭(zhēng)鎖,重新進(jìn)入循環(huán)。
如果已經(jīng)具備了JUC包中的Lock接口以及AQS的相關(guān)知識(shí),上述代碼大部分應(yīng)該都比較容易理解。
DelayQueue將實(shí)現(xiàn)了Delayed接口的對(duì)象添加到優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中,通過(guò)在可重入鎖的Condition上調(diào)用await()方法,實(shí)現(xiàn)了延遲獲取阻塞隊(duì)列中元素的功能。
總結(jié)
- DelayQueue是一個(gè)內(nèi)部依靠AQS隊(duì)列同步器所實(shí)現(xiàn)的無(wú)界延遲阻塞隊(duì)列。
- 隊(duì)列中的延遲對(duì)象需要覆蓋getDelay()與compareTo()方法,并且要注意 getDelay()的時(shí)間單位的統(tǒng)一,compareTo()根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行合理的比較邏輯重寫(xiě)。
- DelayQueue中內(nèi)聚的可重入鎖是非公平的。
- 延遲隊(duì)列是實(shí)現(xiàn)定時(shí)任務(wù)的關(guān)鍵,ScheduledThreadPoolExecutor中的任務(wù)隊(duì)列是DelayedWorkQueue,其和DelayedQueue高度類似,也是一個(gè)延遲隊(duì)列。
DelayQueue使用例子
寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子:
public class DelayQueueTest {
public static final int SIZE = 10;
public static void main(String[] args) {
DelayQueueTest test = new DelayQueueTest();
//初始化線程池
BlockingQueue<Runnable> arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor
(5, 10, 10, TimeUnit.MILLISECONDS,
arrayBlockingQueue, Executors.defaultThreadFactory(),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
DelayQueue<DelayedTask> delayTaskQueue = new DelayQueue<>();
//模擬SIZE個(gè)延遲任務(wù)
for (byte i = 0; i < SIZE; i++) {
Long runAt = System.currentTimeMillis() + 1000 * i;
String name = "Zhang_" + i;
byte age = (byte)(10 + i);
String gender = (i % 2 == 0 ? "male" : "female");
Student student = new StudentBuilder(name, age, gender).height(150 + i).province("ZheJiang").build();
delayTaskQueue.put(new DelayedTask<Student>(student, 1, function -> test.print(student), runAt));
}
while (true) {
if (delayTaskQueue.size() == 0) {
break;
}
try {
//從延遲隊(duì)列中取值,如果沒(méi)有對(duì)象過(guò)期則取到null
DelayedTask delayedTask = delayTaskQueue.poll();
if (delayedTask != null) {
threadPool.execute(delayedTask);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
threadPool.shutdown();
}
public String print(Object object) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
String str = ">>>junit log>>>" + object.getClass().getSimpleName() + ":" + object.toString();
System.out.println(str);
return str;
}
private static class DelayedTask<T> implements Delayed, Runnable {
/**
* 任務(wù)參數(shù)
*/
private T taskParam;
/**
* 任務(wù)類型
*/
private Integer type;
/**
* 任務(wù)函數(shù)
*/
private Function<T, String> function;
/**
* 任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻
*/
private Long runAt;
public T getTaskParam() {
return taskParam;
}
public Integer getType() {
return type;
}
public Function<T, String> getFunction() {
return function;
}
public Long getRunAt() {
return runAt;
}
DelayedTask(T taskParam, Integer type, Function<T, String> function, Long runAt) {
this.taskParam = taskParam;
this.type = type;
this.function = function;
this.runAt = runAt;
}
@Override
public void run() {
if (taskParam != null) {
function.apply(taskParam);
}
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return unit.convert(this.runAt - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
DelayedTask object = (DelayedTask)o;
return this.runAt.compareTo(object.getRunAt());
}
}
}運(yùn)行結(jié)果如下,由于10個(gè)元素的延遲時(shí)間均相差1秒,可以看到逐步打印的效果。

DelayQueue典型場(chǎng)景是重試機(jī)制實(shí)現(xiàn),比如當(dāng)調(diào)用接口失敗后,把當(dāng)前調(diào)用信息放入delay=10s的元素,然后把元素放入隊(duì)列,那么這個(gè)隊(duì)列就是一個(gè)重試隊(duì)列,一個(gè)線程通過(guò)take()方法獲取需要重試的接口,take()返回則接口進(jìn)行重試,失敗則再次放入隊(duì)列,同時(shí)也可以在元素加上重試次數(shù)。
到此這篇關(guān)于Java阻塞延遲隊(duì)列DelayQueue原理及使用詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)阻塞延遲隊(duì)列DelayQueue原理內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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