java并发中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：

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);}

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();

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(); }}

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：

public void put(E e) { offer(e);}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 <= ) // 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(); }} 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。

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(); }}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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