DelayQueue延迟队列原理剖析

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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:

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {

    /**
     * Returns the remaining delay associated with this object, in the
     * given time unit.
     *
     * @param unit the time unit
     * @return the remaining delay; zero or negative values indicate
     * that the delay has already elapsed
     */
    long getDelay(TimeUnit unit);
}
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DelayQueue的成员变量如下所示:

// 锁。
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 优先队列。
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();

/**
 * Leader-Follower的变种。
 * Thread designated to wait for the element at the head of
 * the queue.  This variant of the Leader-Follower pattern
 * (http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/POSA/POSA2/) serves to
 * minimize unnecessary timed waiting.  When a thread becomes
 * the leader, it waits only for the next delay to elapse, but
 * other threads await indefinitely.  The leader thread must
 * signal some other thread before returning from take() or
 * poll(...), unless some other thread becomes leader in the
 * interim.  Whenever the head of the queue is replaced with
 * an element with an earlier expiration time, the leader
 * field is invalidated by being reset to null, and some
 * waiting thread, but not necessarily the current leader, is
 * signalled.  So waiting threads must be prepared to acquire
 * and lose leadership while waiting.
 */
private Thread leader = null;

/**
 * Condition signalled when a newer element becomes available
 * at the head of the queue or a new thread may need to
 * become leader.
 */
// 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。
private final Condition available = lock.newCondition();
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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

public boolean offer(E e) {
  	// 获取到锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
      	// 将元素存储到PriorityQueue优先队列中
        q.offer(e);
      	// 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。
        if (q.peek() == e) {
            leader = null;
            available.signal();
        }
      	// 返回成功
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
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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。

  1. 获取到ReentrantLock锁对象。
  2. 将元素添加到PriorityQueue优先队列中
  3. 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。
  4. 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:

public void put(E e) {
    offer(e);
}
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take操作

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取可中断的锁。
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      	// 循环获取数据。
        for (;;) {
            // 获取最早过期的元素,但是不弹出对象。
            E first = q.peek();
            // 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。
            if (first == null)
              	// 当前线程无限期等待,直到被唤醒,并且让出锁对象。
                available.await();
            else {
              	// 获取最早过期的元素剩余过期时间。
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
              	// 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。
                if (delay <= 0)
                    // 如果已经过期直接获取最早过期的元素,并返回。
                    return q.poll();
              	// 如果剩余过期日期大于0,则会进入到这里。
              	// 将刚才获取的最早过期的元素设置为空。
                first = null; // don't retain ref while waiting
              	// 如果有线程争抢的Leader线程,则进行无限期等待。
                if (leader != null)
                    // 无限期等待并让出锁。
                    available.await();
                else {
                    // 获取当前线程。
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    // 设置当前线程变为Leader线程。
                    leader = thisThread;
                    try {
                      	// 等待剩余等待时间。
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                      	// 将Leader设置为null。
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
      	// 如果队列不为空,并且没有Leader则通知等待线程可以成为Leader。
        if (leader == null && q.peek() != null)
            // 通知等待线程。
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}
复制代码
  1. 当获取元素时,先获取到锁对象。
  2. 获取最早过期的元素,但是并不从队列中弹出元素。
  3. 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。
  4. 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
  5. 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。

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        E first = q.peek();
      	// 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。
        if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
            return null;
        else
          	// 出队列操作。
            return q.poll();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
复制代码

小结

  1. 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
  2. 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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本文来自:juejin.cn

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