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java 常用并发队列- DelayQueue

news 来源：原创 2024/9/20 19:28:29

1. 什么是 `DelayQueue`？

DelayQueue 是一个支持 延迟获取元素 的阻塞队列，它的元素必须实现 java.util.concurrent.Delayed 接口，该接口要求元素定义一个 getDelay(TimeUnit unit) 方法，用来指定元素何时可以从队列中取出。DelayQueue 的内部是基于 优先级队列（PriorityQueue） 实现的，因此队列中的元素是按照延迟时间的长短来排序的，延迟时间最短的元素排在队头。

特点：

无界队列：DelayQueue 是一个无界阻塞队列，容量只受限于内存大小。
线程安全：DelayQueue 是线程安全的，可以在多线程环境下使用。
元素按延迟时间排序：只有当元素的延迟期满时，它才可以被获取。
实现 Delayed 接口：所有存入 DelayQueue 的元素都必须实现 Delayed 接口，该接口要求实现 getDelay(TimeUnit unit) 方法，以返回元素的剩余延迟时间。

2. `DelayQueue` 的实现原理

DelayQueue 是基于 优先级队列（PriorityQueue） 实现的。它的工作原理如下：

存储元素：DelayQueue 采用 PriorityQueue 作为其内部数据结构，PriorityQueue 是一个基于堆（heap）的数据结构。DelayQueue 会根据元素的延迟时间对其进行排序，延迟时间最短的元素排在队头。
延迟处理：当从 DelayQueue 中获取元素时，如果队头元素的延迟时间还没有到达，则 take() 方法会阻塞，直到元素的延迟时间到达。如果使用 poll() 方法获取元素，则会立即返回 null，而不会阻塞。
线程安全：DelayQueue 使用了内部锁来保证并发环境下的线程安全。

3. `Delayed` 接口

Delayed 接口是 DelayQueue 中元素必须实现的接口，它继承自 Comparable 接口，因此元素的延迟时间可以比较大小。Delayed 接口的核心方法是：

getDelay(TimeUnit unit)：返回元素相对于当前时间的剩余延迟时间。TimeUnit 是一个时间单位枚举（如 SECONDS、MILLISECONDS 等）。
compareTo(Delayed o)：比较两个元素的延迟时间，用于排序。

4. `DelayQueue` 的常用方法

DelayQueue 继承了 BlockingQueue 接口的所有方法，以下是一些常用方法：

boolean offer(E e)：将指定的元素插入队列中。
E take()：从队列中获取并移除延迟时间到期的元素，如果没有到期的元素，线程会被阻塞直到有元素到期。
E poll()：尝试获取并移除延迟时间到期的元素，如果没有到期的元素则返回 null。
int size()：返回队列中的元素数量。

5. 使用 `DelayQueue` 的示例

下面是一个使用 DelayQueue 实现延时任务调度的示例。我们创建了一个实现 Delayed 接口的任务类 DelayedTask，并将其放入 DelayQueue 中。然后，使用一个消费者线程不断从队列中获取到期的任务并执行它们。

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;// 定义一个实现 Delayed 接口的任务类
class DelayedTask implements Delayed {private final String name;     // 任务名称private final long delayTime;  // 延迟时间（纳秒）private final long expireTime; // 任务到期时间（纳秒）public DelayedTask(String name, long delayTime, TimeUnit unit) {this.name = name;this.delayTime = TimeUnit.NANOSECONDS.convert(delayTime, unit);  // 转换为纳秒this.expireTime = System.nanoTime() + this.delayTime;            // 计算到期时间}// 获取任务的剩余延迟时间@Overridepublic long getDelay(TimeUnit unit) {long remainingDelay = expireTime - System.nanoTime();  // 计算剩余延迟时间return unit.convert(remainingDelay, TimeUnit.NANOSECONDS); // 转换为指定单位}// 比较两个任务的延迟时间@Overridepublic int compareTo(Delayed other) {if (this.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) < other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)) {return -1;}if (this.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) > other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)) {return 1;}return 0;}// 任务执行的方法public void execute() {System.out.println("执行任务: " + name);}@Overridepublic String toString() {return "任务[" + name + "], 延迟时间: " + delayTime / 1_000_000 + " ms";}
}public class DelayQueueExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个 DelayQueueBlockingQueue<DelayedTask> delayQueue = new DelayQueue<>();// 添加任务到 DelayQueuedelayQueue.offer(new DelayedTask("任务1", 3, TimeUnit.SECONDS));delayQueue.offer(new DelayedTask("任务2", 1, TimeUnit.SECONDS));delayQueue.offer(new DelayedTask("任务3", 5, TimeUnit.SECONDS));// 启动一个线程不断从 DelayQueue 中取出到期任务并执行new Thread(() -> {while (true) {try {DelayedTask task = delayQueue.take();  // 阻塞等待任务到期task.execute();  // 执行任务} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}).start();}
}

示例分析

DelayedTask 类：
- DelayedTask 实现了 Delayed 接口，并定义了任务的名称、延迟时间和到期时间。
- getDelay() 方法计算任务的剩余延迟时间，用于 DelayQueue 确定任务的到期顺序。
- compareTo() 方法用于比较两个任务的延迟时间，以确保任务按到期时间排序。
DelayQueue 使用：
- DelayQueue<DelayedTask> 用于存储 DelayedTask 对象。任务被插入队列时，会根据其延迟时间排序。
- 消费者线程不断调用 take() 方法，从队列中获取到期任务并执行。由于 take() 是阻塞方法，如果没有到期的任务，会自动等待。
任务执行顺序：
- 在示例中，任务2 的延迟时间为 1 秒，因此会先被执行。接着是 任务1（3 秒）和 任务3（5 秒）。

6. `DelayQueue` 的应用场景

DelayQueue 主要应用于需要延时处理的场景，例如：

任务调度系统：在某些任务调度系统中，需要延时执行某些任务，DelayQueue 是实现延时任务调度的一个很好的选择。
缓存失效：在缓存系统中，可以使用 DelayQueue 来管理缓存失效时间，当缓存到期时自动删除或更新缓存。
连接超时处理：在网络编程中，可能需要对连接进行超时处理，当连接超过指定时间后自动关闭。
订单过期处理：在电子商务系统中，可能需要对订单进行延迟支付处理，如果在规定时间内未支付，则自动取消订单。

7. `DelayQueue` 的优缺点

优点

线程安全：DelayQueue 是线程安全的，支持多个生产者和消费者线程的并发操作。
按延迟时间排序：队列中的元素按延迟时间排序，非常适合实现延时任务调度。
支持无界：DelayQueue 是无界的，不需要担心队列溢出的问题。

缺点

内存消耗：DelayQueue 是无界的，如果没有适当的管理，可能会导致内存消耗过多。
**实时性要求

高的场景不适用**：DelayQueue 是基于延时操作的，如果需要实时性很强的操作，可能不适用。

8. 总结

DelayQueue 是 Java 并发库中非常有用的一种队列，特别适合用于延时任务调度、超时处理等场景。它通过 Delayed 接口和优先级队列的结合，实现了对元素的延时处理和有序管理。
DelayQueue 是 Java 并发包 (java.util.concurrent) 中提供的一种 无界阻塞队列，用于存放实现了 Delayed 接口的元素，这些元素只有在其延迟期满时才能被从队列中获取。DelayQueue 通常用于实现延时任务调度、任务超时处理等场景。