[学习笔记-Java集合-17] Queue - DelayQueue源码分析

介绍

DelayQueue是java并发包下的延时阻塞队列，常用于实现定时任务。

继承体系

从继承体系可以看到，DelayQueue实现了BlockingQueue，所以它是一个阻塞队列。

另外，DelayQueue还组合了一个叫做Delayed的接口，DelayQueue中存储的所有元素必须实现Delayed接口。

那么，Delayed是什么呢？

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {

    long getDelay(TimeUnit unit);
}

Delayed是一个继承自Comparable的接口，并且定义了一个getDelay()方法，用于表示还有多少时间到期，到期了应返回小于等于0的数值。

源码分析

主要属性

// 用于控制并发的锁
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 优先级队列
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）
private Thread leader = null;
// 条件，用于表示现在是否有可取的元素
private final Condition available = lock.newCondition();

从属性我们可以知道，延时队列主要使用优先级队列来实现，并辅以重入锁和条件来控制并发安全。

因为优先级队列是无界的，所以这里只需要一个条件就可以了。

主要构造方法

public DelayQueue() {}

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

构造方法比较简单，一个默认构造方法，一个初始化添加集合c中所有元素的构造方法。

入队

因为DelayQueue是阻塞队列，且优先级队列是无界的，所以入队不会阻塞不会超时，因此它的四个入队方法是一样的。

public boolean add(E e) {
    return offer(e);
}

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

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) {
    return offer(e);
}

public boolean offer(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        q.offer(e);
        if (q.peek() == e) {
            leader = null;
            available.signal();
        }
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

入队方法比较简单：

1. 加锁；
2. 添加元素到优先级队列中；
3. 如果添加的元素是堆顶元素，就把leader置为空，并唤醒等待在条件available上的线程；
4. 解锁；

出队

因为DelayQueue是阻塞队列，所以它的出队有四个不同的方法，有抛出异常的，有阻塞的，有不阻塞的，有超时的。

我们这里主要分析两个，poll()和take()方法。

public E poll() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        E first = q.peek();
        if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
            return null;
        else
            return q.poll();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

poll()方法比较简单：

1. 加锁；
2. 检查第一个元素，如果为空或者还没到期，就返回null；
3. 如果第一个元素到期了就调用poll()弹出第一个元素；
4. 解锁。

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            // 堆顶元素
            E first = q.peek();
            // 如果堆顶元素为空，说明队列中还没有元素，直接阻塞等待
            if (first == null)
                available.await();
            else {
                // 堆顶元素的到期时间
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                // 如果小于0说明已到期，直接调用poll()方法弹出堆顶元素
                if (delay <= 0)
                    return q.poll();

                // 如果delay大于0 ，则下面要阻塞了

                // 将first置为空方便gc，因为有可能其它元素弹出了这个元素
                // 这里还持有着引用不会被清理
                first = null; // don't retain ref while waiting
                // 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
                        // 关于AQS我们后面会讲的^^
                        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)
            // signal()只是把等待的线程放到AQS的队列里面，并不是真正的唤醒
            available.signal();
        // 解锁，这才是真正的唤醒
        lock.unlock();
    }
}

take()方法稍微要复杂一些：

1. 加锁；
2. 判断堆顶元素是否为空，为空的话直接阻塞等待；
3. 判断堆顶元素是否到期，到期了直接poll()出元素；
4. 没到期，再判断前面是否有其它线程在等待，有则直接等待；
5. 前面没有其它线程在等待，则把自己当作第一个线程等待delay时间后唤醒，再尝试获取元素；
6. 获取到元素之后再唤醒下一个等待的线程；
7. 解锁;

使用方法

请看下面的案例, 越早到期的元素越先出队。

public class DelayQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        DelayQueue<Message> queue = new DelayQueue<>();

        long now = System.currentTimeMillis();

        // 启动一个线程从队列中取元素
        new Thread(()->{
            while (true) {
                try {
                    // 将依次打印1000，2000，5000，7000，8000
                    System.out.println(queue.take().deadline - now);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 添加5个元素到队列中
        queue.add(new Message(now + 5000));
        queue.add(new Message(now + 8000));
        queue.add(new Message(now + 2000));
        queue.add(new Message(now + 1000));
        queue.add(new Message(now + 7000));
    }
}

class Message implements Delayed {
    long deadline;

    public Message(long deadline) {
        this.deadline = deadline;
    }

    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return deadline - System.currentTimeMillis();
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        return (int) (getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.valueOf(deadline);
    }
}

总结

1. DelayQueue是阻塞队列；
2. DelayQueue内部存储结构使用优先级队列；
3. DelayQueue使用重入锁和条件来控制并发安全；
4. DelayQueue常用于定时任务；

java中的线程池实现定时任务并不是直接用的DelayQueue

ScheduledThreadPoolExecutor中使用的是它自己定义的内部类DelayedWorkQueue，其实里面的实现逻辑基本都是一样的，只不过DelayedWorkQueue里面没有使用现在的PriorityQueue，而是使用数组又实现了一遍优先级队列，本质上没有什么区别。