java 常用并发队列- DelayQueue

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：

1. 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。

2. 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。

3. 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

1. 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。

2. 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。

3. 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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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

1. 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。
2. 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。
3. 支持无界：DelayQueue 是无界的，不需要担心队列溢出的问题。

缺点

1. 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。
2. **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。