阻塞队列-DelayQueue详解

一、DelayQueue介绍

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的阻塞队列，内部采用优先队列 PriorityQueue 存储元素，同时元素必须实现 Delayed 接口；在创建元素时可以指定多久才可以从队列中获取当前元素，只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。延迟队列的特点是：不是先进先出，而是会按照延迟时间的长短来排序，下一个即将执行的任务会排到队列的最前面。

它是无界队列，放入的元素必须实现 Delayed 接口，而 Delayed 接口又继承了 Comparable 接口，所以自然就拥有了比较和排序的能力，代码如下：

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    //getDelay 方法返回的是“还剩下多长的延迟时间才会被执行”，
    //如果返回 0 或者负数则代表任务已过期。
    //元素会根据延迟时间的长短被放到队列的不同位置，越靠近队列头代表越早过期。
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

二、DelayQueue的原理

2.1 数据结构

//用于保证队列操作的线程安全
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 优先级队列,存储元素，用于保证延迟低的优先执行
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
// 用于标记当前是否有线程在排队（仅用于取元素时） leader 指向的是第一个从队列获取元素阻塞的线程
private Thread leader = null;
// 条件，用于表示现在是否有可取的元素   当新元素到达，或新线程可能需要成为leader时被通知
private final Condition available = lock.newCondition();

public DelayQueue() {}
public DelayQueue(Collection<? extends E> c) {
    this.addAll(c);

2.2 入队put方法

public void put(E e) {
    offer(e);
}
public boolean offer(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        // 入队
        q.offer(e);
        if (q.peek() == e) {
            // 若入队的元素位于队列头部，说明当前元素延迟最小
            // 将 leader 置空
            leader = null;
            // available条件队列转同步队列,准备唤醒阻塞在available上的线程
            available.signal();
        }
        return true;
    } finally {
        lock.unlock(); // 解锁，真正唤醒阻塞的线程
    }
}

2.3 出队take方法

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            E first = q.peek();// 取出堆顶元素   
            if (first == null)// 如果堆顶元素为空，说明队列中还没有元素，直接阻塞等待
                available.await();
            else {
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);// 堆顶元素的到期时间             
                if (delay <= 0)// 如果小于0说明已到期，直接调用poll()方法弹出堆顶元素
                    return q.poll();
                
                // 如果delay大于0 ，则下面要阻塞了
                // 将first置为空方便gc
                first = null; 
                // 如果前面有其它线程在等待，直接进入等待
                if (leader != null)
                    available.await();
                else {
                    // 如果leader为null，把当前线程赋值给它
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        // 等待delay时间后自动醒过来
                        // 醒过来后把leader置空并重新进入循环判断堆顶元素是否到期
                        // 这里即使醒过来后也不一定能获取到元素
                        // 因为有可能其它线程先一步获取了锁并弹出了堆顶元素
                        // 条件锁的唤醒分成两步，先从Condition的队列里出队
                        // 再入队到AQS的队列中，当其它线程调用LockSupport.unpark(t)的时候才会真正唤醒
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                        // 如果leader还是当前线程就把它置为空，让其它线程有机会获取元素
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        // 成功出队后，如果leader为空且堆顶还有元素，就唤醒下一个等待的线程
        if (leader == null && q.peek() != null)
            // available条件队列转同步队列,准备唤醒阻塞在available上的线程
            available.signal();
        // 解锁，真正唤醒阻塞的线程
        lock.unlock();
    }

三、DelayQueue使用场景

DelayQueue可以运用在以下应用场景：

缓存系统的设计：可以用DelayQueue保存缓存元素的有效期，使用一个线程循环查询DelayQueue，一旦能从DelayQueue中获取元素时，表示缓存有效期到了。

定时任务调度。使用DelayQueue保存当天将会执行的任务和执行时间，一旦从DelayQueue中获取到任务就开始执行，从比如TimerQueue就是使用DelayQueue实现的。

四、总结

DelayQueue其实采用了装饰器模式，在对PriorityQueue进行包装下增加了延时时间获取元素的功能，其主要特点归纳如下：

DelayQueue是一个无界阻塞队列，队列内部使用PriorityQueue来实现。

进入队列的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素，只有在延迟期满时才能从中提取元素；

该队列头部是延迟期满后保存时间最长的Delayed元素；

如果没有延迟未过期元素，且队列没有头部，并且poll将返回null；

当一个元素的getDelay（TimeUnit.NANOSECONDS）方法返回一个小于等于0的值时，表示该元素已过期；

无法使用poll或take移除未到期的元素，也不会将这些元素作为正常元素对待；例如：size方法返回到期和未到期元素的计数之和。

此队列不允许使用null元素。