DelayQueue延迟队列原理剖析

介绍

DelayQueue队列是一个延迟队列，DelayQueue中存放的元素必须实现Delayed接口的元素，实现接口后相当于是每个元素都有个过期时间，当队列进行take获取元素时，先要判断元素有没有过期，只有过期的元素才能出队操作，没有过期的队列需要等待剩余过期时间才能进行出队操作。

源码分析

DelayQueue队列内部使用了PriorityQueue优先队列来进行存放数据，它采用的是二叉堆进行的优先队列，使用ReentrantLock锁来控制线程同步，由于内部元素是采用的PriorityQueue来进行存放数据，所以Delayed接口实现了Comparable接口，用于比较来控制优先级，如下代码所示：

 1public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
 2
 3    /**
 4     * Returns the remaining delay associated with this object, in the
 5     * given time unit.
 6     *
 7     * @param unit the time unit
 8     * @return the remaining delay; zero or negative values indicate
 9     * that the delay has already elapsed
10     */
11    long getDelay(TimeUnit unit);
12}

DelayQueue的成员变量如下所示：

 1// 锁。
 2private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 3// 优先队列。
 4private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
 5
 6/**
 7 * Leader-Follower的变种。
 8 * Thread designated to wait for the element at the head of
 9 * the queue.  This variant of the Leader-Follower pattern
10 * (http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/POSA/POSA2/) serves to
11 * minimize unnecessary timed waiting.  When a thread becomes
12 * the leader, it waits only for the next delay to elapse, but
13 * other threads await indefinitely.  The leader thread must
14 * signal some other thread before returning from take() or
15 * poll(...), unless some other thread becomes leader in the
16 * interim.  Whenever the head of the queue is replaced with
17 * an element with an earlier expiration time, the leader
18 * field is invalidated by being reset to null, and some
19 * waiting thread, but not necessarily the current leader, is
20 * signalled.  So waiting threads must be prepared to acquire
21 * and lose leadership while waiting.
22 */
23private Thread leader = null;
24
25/**
26 * Condition signalled when a newer element becomes available
27 * at the head of the queue or a new thread may need to
28 * become leader.
29 */
30// 条件，代表如果有数据则通知Follower线程，唤醒线程处理队列内容。
31private final Condition available = lock.newCondition();

Leader-Follower模式的变种，用于最小化不必要的定时等待，当一个线程被选择为Leader时，它会等待延迟过去执行代码逻辑，而其他线程则需要无限期等待，在从take或poll返回之前，每当队列的头部被替换为具有更早到期时间的元素时，leader字段将通过重置为空而无效，Leader线程必须向其中一个Follower线程发出信号，被唤醒的 follwer 线程被设置为新的Leader 线程。

offer操作

 1public boolean offer(E e) {
 2    // 获取到锁
 3    final ReentrantLock lock = this.lock;
 4    lock.lock();
 5    try {
 6        // 将元素存储到PriorityQueue优先队列中
 7        q.offer(e);
 8        // 如果第一个元素是当前元素，说明之前队列中为空，则先将Leader设置为空，通知等待线程可以争抢Leader了。
 9        if (q.peek() == e) {
10            leader = null;
11            available.signal();
12        }
13        // 返回成功
14        return true;
15    } finally {
16        lock.unlock();
17    }
18}

offer操作前先进行获取锁的操作，也就是同一时间内只能有一个线程可以入队操作。

获取到ReentrantLock锁对象。
将元素添加到PriorityQueue优先队列中
如果队列中最早过期的元素是自己，则说明队列原先是空的，所以将Leader进行重置，通知Follower线程可以成为Leader线程。
最后进行解锁操作。

put操作

put操作其实就是调用的offer操作来进行添加数据的，以下是源码信息：

1public void put(E e) {
2    offer(e);
3}

take操作

 1public E take() throws InterruptedException {
 2    final ReentrantLock lock = this.lock;
 3    // 获取可中断的锁。
 4    lock.lockInterruptibly();
 5    try {
 6        // 循环获取数据。
 7        for (;;) {
 8            // 获取最早过期的元素，但是不弹出对象。
 9            E first = q.peek();
10            // 如果最早过期的元素为空，说明队列为空，则线程直接进入无限期等待，并且让出锁。
11            if (first == null)
12                // 当前线程无限期等待，直到被唤醒，并且让出锁对象。
13                available.await();
14            else {
15                // 获取最早过期的元素剩余过期时间。
16                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
17                // 如果剩余过期时间小于0，则说明已经过期，反之还没有过期。
18                if (delay <= 0)
19                    // 如果已经过期直接获取最早过期的元素，并返回。
20                    return q.poll();
21                // 如果剩余过期日期大于0，则会进入到这里。
22                // 将刚才获取的最早过期的元素设置为空。
23                first = null; // don't retain ref while waiting
24                // 如果有线程争抢的Leader线程，则进行无限期等待。
25                if (leader != null)
26                    // 无限期等待并让出锁。
27                    available.await();
28                else {
29                    // 获取当前线程。
30                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
31                    // 设置当前线程变为Leader线程。
32                    leader = thisThread;
33                    try {
34                        // 等待剩余等待时间。
35                        available.awaitNanos(delay);
36                    } finally {
37                        // 将Leader设置为null。
38                        if (leader == thisThread)
39                            leader = null;
40                    }
41                }
42            }
43        }
44    } finally {
45        // 如果队列不为空，并且没有Leader则通知等待线程可以成为Leader。
46        if (leader == null && q.peek() != null)
47            // 通知等待线程。
48            available.signal();
49        lock.unlock();
50    }
51}

当获取元素时，先获取到锁对象。
获取最早过期的元素，但是并不从队列中弹出元素。
最早过期元素是否为空，如果为空则直接让当前线程无限期等待状态，并且让出当前锁对象。
如果最早过期的元素不为空

获取最早过期元素的剩余过期时间，如果已经过期则直接返回当前元素
如果没有过期，也就是说剩余时间还存在，则先获取Leader对象，如果Leader已经有线程在处理，则当前线程进行无限期等待，如果Leader为空，则首先将Leader设置为当前线程，并且让当前线程等待剩余时间。
最后将Leader线程设置为空

如果Leader已经为空，并且队列有内容则唤醒一个等待的队列。

poll操作

获取最早过期的元素，如果队列头没有过期的元素则直接返回null，反之返回过期的元素。

 1public E poll() {
 2    final ReentrantLock lock = this.lock;
 3    lock.lock();
 4    try {
 5        E first = q.peek();
 6        // 如果队列为空或者队列最早过期的元素没有过期，则返回null。
 7        if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
 8            return null;
 9        else
10            // 出队列操作。
11            return q.poll();
12    } finally {
13        lock.unlock();
14    }
15}

小结

DelayQueue是一个无界的并发延迟阻塞队列，队列中的元素必须实现Delayed接口，相应了需要实现Comparable接口实现比较的方法
Leader-Follower模式的变种，用于最小化不必要的定时等待，当一个线程被选择为Leader时，它会等待延迟过去执行代码逻辑，而其他线程则需要无限期等待，在从take或poll返回之前，每当队列的头部被替换为具有更早到期时间的元素时，leader字段将通过重置为空而无效，Leader线程必须向其中一个Follower线程发出信号，被唤醒的 follwer 线程被设置为新的Leader 线程。

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