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一口气说出 6种 延时队列的实现方法，面试官也得服

2024-12-24 17:54

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[[325171]]

知耻而后勇，这不逼着自己又学起来了，个人比较喜欢一些实践类的东西，既学习到知识又能让技术落地，能搞出个demo最好，本来不知道该分享什么主题，好在最近项目紧急招人中，而我有幸做了回面试官，就给大家整理分享一道面试题：“如何实现延时队列?”。

下边会介绍多种实现延时队列的思路，文末提供有几种实现方式的 github地址。其实哪种方式都没有绝对的好与坏，只是看把它用在什么业务场景中，技术这东西没有最好的只有最合适的。

一、延时队列的应用

什么是延时队列?顾名思义：首先它要具有队列的特性，再给它附加一个延迟消费队列消息的功能，也就是说可以指定队列中的消息在哪个时间点被消费。

延时队列在项目中的应用还是比较多的，尤其像电商类平台：

订单成功后，在30分钟内没有支付，自动取消订单

外卖平台发送订餐通知，下单成功后60s给用户推送短信。

如果订单一直处于某一个未完结状态时，及时处理关单，并退还库存

淘宝新建商户一个月内还没上传商品信息，将冻结商铺等

。。。。

上边的这些场景都可以应用延时队列解决。

二、延时队列的实现

我个人一直秉承的观点：工作上能用JDK自带API实现的功能，就不要轻易自己重复造轮子，或者引入三方中间件。一方面自己封装很容易出问题(大佬除外)，再加上调试验证产生许多不必要的工作量;另一方面一旦接入三方的中间件就会让系统复杂度成倍的增加，维护成本也大大的增加。

1、DelayQueue 延时队列

JDK 中提供了一组实现延迟队列的API，位于Java.util.concurrent包下DelayQueue。

DelayQueue是一个BlockingQueue(无界阻塞)队列，它本质就是封装了一个PriorityQueue(优先队列)，PriorityQueue内部使用完全二叉堆(不知道的自行了解哈)来实现队列元素排序，我们在向DelayQueue队列中添加元素时，会给元素一个Delay(延迟时间)作为排序条件，队列中最小的元素会优先放在队首。队列中的元素只有到了Delay时间才允许从队列中取出。队列中可以放基本数据类型或自定义实体类，在存放基本数据类型时，优先队列中元素默认升序排列，自定义实体类就需要我们根据类属性值比较计算了。

先简单实现一下看看效果，添加三个order入队DelayQueue，分别设置订单在当前时间的5秒、10秒、15秒后取消。

 

要实现DelayQueue延时队列，队中元素要implements Delayed 接口，这哥接口里只有一个getDelay方法，用于设置延期时间。Order类中compareTo方法负责对队列中的元素进行排序。

  1. public class Order implements Delayed { 
  2.      
  3.     @JsonFormat(locale = "zh", timezone = "GMT+8", pattern = "yyyy-MM-dd HH:mm:ss") 
  4.     private long time; 
  5.     String name; 
  6.      
  7.     public Order(String name, long time, TimeUnit unit) { 
  8.         this.name = name; 
  9.         this.time = System.currentTimeMillis() + (time > 0 ? unit.toMillis(time) : 0); 
  10.     } 
  11.      
  12.     @Override 
  13.     public long getDelay(TimeUnit unit) { 
  14.         return time - System.currentTimeMillis(); 
  15.     } 
  16.     @Override 
  17.     public int compareTo(Delayed o) { 
  18.         Order Order = (Order) o; 
  19.         long diff = this.time - Order.time; 
  20.         if (diff <= 0) { 
  21.             return -1; 
  22.         } else { 
  23.             return 1; 
  24.         } 
  25.     } 
  26. } 

DelayQueue的put方法是线程安全的，因为put方法内部使用了ReentrantLock锁进行线程同步。DelayQueue还提供了两种出队的方法 poll() 和 take() ， poll() 为非阻塞获取，没有到期的元素直接返回null;take() 阻塞方式获取，没有到期的元素线程将会等待。

  1. public class DelayQueueDemo { 
  2.  
  3.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
  4.         Order Order1 = new Order("Order1", 5, TimeUnit.SECONDS); 
  5.         Order Order2 = new Order("Order2", 10, TimeUnit.SECONDS); 
  6.         Order Order3 = new Order("Order3", 15, TimeUnit.SECONDS); 
  7.         DelayQueue<Order> delayQueue = new DelayQueue<>(); 
  8.         delayQueue.put(Order1); 
  9.         delayQueue.put(Order2); 
  10.         delayQueue.put(Order3); 
  11.  
  12.         System.out.println("订单延迟队列开始时间:" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"))); 
  13.         while (delayQueue.size() != 0) { 
  14.              
  15.             Order task = delayQueue.poll(); 
  16.             if (task != null) { 
  17.                 System.out.format("订单:{%s}被取消, 取消时间:{%s}\n", task.name, LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"))); 
  18.             } 
  19.             Thread.sleep(1000); 
  20.         } 
  21.     } 
  22. } 

上边只是简单的实现入队与出队的操作，实际开发中会有专门的线程，负责消息的入队与消费。

执行后看到结果如下，Order1、Order2、Order3 分别在 5秒、10秒、15秒后被执行，至此就用DelayQueue实现了延时队列。

  1. 订单延迟队列开始时间:2020-05-06 14:59:09 
  2. 订单:{Order1}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:14} 
  3. 订单:{Order2}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:19} 
  4. 订单:{Order3}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:24} 

2、Quartz 定时任务

Quartz一款非常经典任务调度框架，在Redis、RabbitMQ还未广泛应用时，超时未支付取消订单功能都是由定时任务实现的。定时任务它有一定的周期性，可能很多单子已经超时，但还没到达触发执行的时间点，那么就会造成订单处理的不够及时。

引入quartz框架依赖包

  1.  
  2.      org.springframework.boot 
  3.      spring-boot-starter-quartz 
  4.  

在启动类中使用@EnableScheduling注解开启定时任务功能。

  1. @EnableScheduling 
  2. @SpringBootApplication 
  3. public class DelayqueueApplication { 
  4.  public static void main(String[] args) { 
  5.   SpringApplication.run(DelayqueueApplication.class, args); 
  6.  } 
  7. } 

编写一个定时任务，每个5秒执行一次。

  1. @Component 
  2. public class QuartzDemo { 
  3.  
  4.     //每隔五秒 
  5.     @Scheduled(cron = "0/5 * * * * ? ") 
  6.     public void process(){ 
  7.         System.out.println("我是定时任务！"); 
  8.     } 
  9. } 

Redis的数据结构Zset，同样可以实现延迟队列的效果，主要利用它的score属性，redis通过score来为集合中的成员进行从小到大的排序。

通过zadd命令向队列delayqueue 中添加元素，并设置score值表示元素过期的时间;向delayqueue 添加三个order1、order2、order3，分别是10秒、20秒、30秒后过期。

  1. zadd delayqueue 3 order3 

消费端轮询队列delayqueue， 将元素排序后取最小时间与当前时间比对，如小于当前时间代表已经过期移除key。

  1.  
  2.     public void pollOrderQueue() { 
  3.  
  4.         while (true) { 
  5.             Set set = jedis.zrangeWithScores(DELAY_QUEUE, 0, 0); 
  6.  
  7.             String value = ((Tuple) set.toArray()[0]).getElement(); 
  8.             int score = (int) ((Tuple) set.toArray()[0]).getScore(); 
  9.              
  10.             Calendar cal = Calendar.getInstance(); 
  11.             int nowSecond = (int) (cal.getTimeInMillis() / 1000); 
  12.             if (nowSecond >= score) { 
  13.                 jedis.zrem(DELAY_QUEUE, value); 
  14.                 System.out.println(sdf.format(new Date()) + " removed key:" + value); 
  15.             } 
  16.  
  17.             if (jedis.zcard(DELAY_QUEUE) <= 0) { 
  18.                 System.out.println(sdf.format(new Date()) + " zset empty "); 
  19.                 return; 
  20.             } 
  21.             Thread.sleep(1000); 
  22.         } 
  23.     } 

我们看到执行结果符合预期

  1. 2020-05-07 13:24:09 add finished. 
  2. 2020-05-07 13:24:19 removed key:order1 
  3. 2020-05-07 13:24:29 removed key:order2 
  4. 2020-05-07 13:24:39 removed key:order3 
  5. 2020-05-07 13:24:39 zset empty  

4、Redis 过期回调

Redis 的key过期回调事件，也能达到延迟队列的效果，简单来说我们开启监听key是否过期的事件，一旦key过期会触发一个callback事件。

修改redis.conf文件开启notify-keyspace-events Ex

  1. notify-keyspace-events Ex 

Redis监听配置，注入Bean RedisMessageListenerContainer

  1. @Configuration 
  2. public class RedisListenerConfig { 
  3.     @Bean 
  4.     RedisMessageListenerContainer container(RedisConnectionFactory connectionFactory) { 
  5.  
  6.         RedisMessageListenerContainer container = new RedisMessageListenerContainer(); 
  7.         container.setConnectionFactory(connectionFactory); 
  8.         return container; 
  9.     } 
  10. } 

编写Redis过期回调监听方法，必须继承KeyExpirationEventMessageListener ，有点类似于MQ的消息监听。

  1. @Component 
  2. public class RedisKeyExpirationListener extends KeyExpirationEventMessageListener { 
  3.   
  4.     public RedisKeyExpirationListener(RedisMessageListenerContainer listenerContainer) { 
  5.         super(listenerContainer); 
  6.     } 
  7.     @Override 
  8.     public void onMessage(Message message, byte[] pattern) { 
  9.         String expiredKey = message.toString(); 
  10.         System.out.println("监听到key：" + expiredKey + "已过期"); 
  11.     } 
  12. } 

到这代码就编写完成，非常的简单，接下来测试一下效果，在redis-cli客户端添加一个key 并给定3s的过期时间。

  1. set xiaofu 123 ex 3 

在控制台成功监听到了这个过期的key。

  1. 监听到过期的key为：xiaofu 

5、RabbitMQ 延时队列

利用 RabbitMQ 做延时队列是比较常见的一种方式，而实际上RabbitMQ 自身并没有直接支持提供延迟队列功能，而是通过 RabbitMQ 消息队列的 TTL和 DXL这两个属性间接实现的。

先来认识一下 TTL和 DXL两个概念：

Time To Live(TTL) ：

TTL 顾名思义：指的是消息的存活时间，RabbitMQ可以通过x-message-tt参数来设置指定Queue(队列)和 Message(消息)上消息的存活时间，它的值是一个非负整数，单位为微秒。

RabbitMQ 可以从两种维度设置消息过期时间，分别是队列和消息本身

如果同时设置队列和队列中消息的TTL，则TTL值以两者中较小的值为准。而队列中的消息存在队列中的时间，一旦超过TTL过期时间则成为Dead Letter(死信)。

Dead Letter Exchanges(DLX)

DLX即死信交换机，绑定在死信交换机上的即死信队列。RabbitMQ的 Queue(队列)可以配置两个参数x-dead-letter-exchange 和 x-dead-letter-routing-key(可选)，一旦队列内出现了Dead Letter(死信)，则按照这两个参数可以将消息重新路由到另一个Exchange(交换机)，让消息重新被消费。

x-dead-letter-exchange：队列中出现Dead Letter后将Dead Letter重新路由转发到指定 exchange(交换机)。

x-dead-letter-routing-key：指定routing-key发送，一般为要指定转发的队列。

队列出现Dead Letter的情况有：

下边结合一张图看看如何实现超30分钟未支付关单功能，我们将订单消息A0001发送到延迟队列order.delay.queue，并设置x-message-tt消息存活时间为30分钟，当到达30分钟后订单消息A0001成为了Dead Letter(死信)，延迟队列检测到有死信，通过配置x-dead-letter-exchange，将死信重新转发到能正常消费的关单队列，直接监听关单队列处理关单逻辑即可。

 

发送消息时指定消息延迟的时间

  1. public void send(String delayTimes) { 
  2.         amqpTemplate.convertAndSend("order.pay.exchange", "order.pay.queue","大家好我是延迟数据", message -> { 
  3.             // 设置延迟毫秒值 
  4.             message.getMessageProperties().setExpiration(String.valueOf(delayTimes)); 
  5.             return message; 
  6.         }); 
  7.     } 
  8. } 

设置延迟队列出现死信后的转发规则

  1.  
  2.     @Bean(name = "order.delay.queue") 
  3.     public Queue getMessageQueue() { 
  4.         return QueueBuilder 
  5.                 .durable(RabbitConstant.DEAD_LETTER_QUEUE) 
  6.                 // 配置到期后转发的交换 
  7.                 .withArgument("x-dead-letter-exchange", "order.close.exchange") 
  8.                 // 配置到期后转发的路由键 
  9.                 .withArgument("x-dead-letter-routing-key", "order.close.queue") 
  10.                 .build(); 
  11.     } 

6、时间轮

前边几种延时队列的实现方法相对简单，比较容易理解，时间轮算法就稍微有点抽象了。kafka、netty都有基于时间轮算法实现延时队列，下边主要实践Netty的延时队列讲一下时间轮是什么原理。

先来看一张时间轮的原理图，解读一下时间轮的几个基本概念

wheel ：时间轮，图中的圆盘可以看作是钟表的刻度。比如一圈round 长度为24秒，刻度数为 8，那么每一个刻度表示 3秒。那么时间精度就是 3秒。时间长度 / 刻度数值越大，精度越大。

 

当添加一个定时、延时任务A，假如会延迟25秒后才会执行，可时间轮一圈round 的长度才24秒，那么此时会根据时间轮长度和刻度得到一个圈数 round和对应的指针位置 index，也是就任务A会绕一圈指向0格子上，此时时间轮会记录该任务的round和index信息。当round=0，index=0 ，指针指向0格子 任务A并不会执行，因为 round=0不满足要求。

所以每一个格子代表的是一些时间，比如1秒和25秒 都会指向0格子上，而任务则放在每个格子对应的链表中，这点和HashMap的数据有些类似。

Netty构建延时队列主要用HashedWheelTimer，HashedWheelTimer底层数据结构依然是使用DelayedQueue，只是采用时间轮的算法来实现。

下面我们用Netty 简单实现延时队列，HashedWheelTimer构造函数比较多，解释一下各参数的含义。

ThreadFactory ：表示用于生成工作线程，一般采用线程池;

tickDuration和unit：每格的时间间隔，默认100ms;

ticksPerWheel：一圈下来有几格，默认512，而如果传入数值的不是2的N次方，则会调整为大于等于该参数的一个2的N次方数值，有利于优化hash值的计算。

  1. public HashedWheelTimer(ThreadFactory threadFactory, long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel) { 
  2.         this(threadFactory, tickDuration, unit, ticksPerWheel, true); 
  3.     } 
  1. public class NettyDelayQueue { 
  2.  
  3.     public static void main(String[] args) { 
  4.  
  5.         final Timer timer = new HashedWheelTimer(Executors.defaultThreadFactory(), 5, TimeUnit.SECONDS, 2); 
  6.  
  7.         //定时任务 
  8.         TimerTask task1 = new TimerTask() { 
  9.             public void run(Timeout timeout) throws Exception { 
  10.                 System.out.println("order1  5s 后执行 "); 
  11.                 timer.newTimeout(this, 5, TimeUnit.SECONDS);//结束时候再次注册 
  12.             } 
  13.         }; 
  14.         timer.newTimeout(task1, 5, TimeUnit.SECONDS); 
  15.         TimerTask task2 = new TimerTask() { 
  16.             public void run(Timeout timeout) throws Exception { 
  17.                 System.out.println("order2  10s 后执行"); 
  18.                 timer.newTimeout(this, 10, TimeUnit.SECONDS);//结束时候再注册 
  19.             } 
  20.         }; 
  21.  
  22.         timer.newTimeout(task2, 10, TimeUnit.SECONDS); 
  23.  
  24.         //延迟任务 
  25.         timer.newTimeout(new TimerTask() { 
  26.             public void run(Timeout timeout) throws Exception { 
  27.                 System.out.println("order3  15s 后执行一次"); 
  28.             } 
  29.         }, 15, TimeUnit.SECONDS); 
  30.  
  31.     } 
  32. } 

从执行的结果看，order3、order3延时任务只执行了一次，而order2、order1为定时任务，按照不同的周期重复执行。

  1. order1  5s 后执行  
  2. order2  10s 后执行 
  3. order3  15s 后执行一次 
  4. order1  5s 后执行  
  5. order2  10s 后执行 

总结

为了让大家更容易理解，上边的代码写的都比较简单粗糙，几种实现方式的demo已经都提交到github 地址：https://github.com/chengxy-nds/delayqueue，感兴趣的小伙伴可以下载跑一跑。

这篇文章肝了挺长时间，写作一点也不比上班干活轻松，查证资料反复验证demo的可行性，搭建各种RabbitMQ、Redis环境，只想说我太难了!

可能写的有不够完善的地方，如哪里有错误或者不明了的，欢迎大家踊跃指正!!!

来源：程序员内点事内容投诉

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