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一口气说出 6种 延时队列的实现方案

2020-11-12 12:42 357 查看

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:

1、订单成功后,在30分钟内没有支付,自动取消订单

2、外卖平台发送订餐通知,下单成功后60s给用户推送短信。

3、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

4、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
(***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。

public class Order implements Delayed {
/**
* 延迟时间
*/
@JsonFormat(locale = "zh", timezone = "GMT+8", pattern = "yyyy-MM-dd HH:mm:ss")
private long time;
String name;

public Order(String name, long time, TimeUnit unit) {
this.name = name;
this.time = System.currentTimeMillis() + (time > 0 ? unit.toMillis(time) : 0);
}

@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return time - System.currentTimeMillis();
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
Order Order = (Order) o;
long diff = this.time - Order.time;
if (diff <= 0) {
return -1;
} else {
return 1;
}
}
}

DelayQueue
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()
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。

public class DelayQueueDemo {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Order Order1 = new Order("Order1", 5, TimeUnit.SECONDS);
Order Order2 = new Order("Order2", 10, TimeUnit.SECONDS);
Order Order3 = new Order("Order3", 15, TimeUnit.SECONDS);
DelayQueue<Order> delayQueue = new DelayQueue<>();
delayQueue.put(Order1);
delayQueue.put(Order2);
delayQueue.put(Order3);

System.out.println("订单延迟队列开始时间:" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
while (delayQueue.size() != 0) {
/**
* 取队列头部元素是否过期
*/
Order task = delayQueue.poll();
if (task != null) {
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")));
}
Thread.sleep(1000);
}
}
}

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。

订单延迟队列开始时间:2020-05-06 14:59:09
订单:{Order1}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:14}
订单:{Order2}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:19}
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

<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-quartz</artifactId>
</dependency>

在启动类中使用

@EnableScheduling
注解开启定时任务功能。

@EnableScheduling
@SpringBootApplication
public class DelayqueueApplication {
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(DelayqueueApplication.class, args);
}
}

编写一个定时任务,每个5秒执行一次。

@Component
public class QuartzDemo {

//每隔五秒
@Scheduled(cron = "0/5 * * * * ? ")
public void process(){
System.out.println("我是定时任务!");
}
}
3、Redis sorted set

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。

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

/**
* 消费消息
*/
public void pollOrderQueue() {

while (true) {
Set<Tuple> set = jedis.zrangeWithScores(DELAY_QUEUE, 0, 0);

String value = ((Tuple) set.toArray()[0]).getElement();
int score = (int) ((Tuple) set.toArray()[0]).getScore();

Calendar cal = Calendar.getInstance();
int nowSecond = (int) (cal.getTimeInMillis() / 1000);
if (nowSecond >= score) {
jedis.zrem(DELAY_QUEUE, value);
System.out.println(sdf.format(new Date()) + " removed key:" + value);
}

if (jedis.zcard(DELAY_QUEUE) <= 0) {
System.out.println(sdf.format(new Date()) + " zset empty ");
return;
}
Thread.sleep(1000);
}
}

我们看到执行结果符合预期

2020-05-07 13:24:09 add finished.
2020-05-07 13:24:19 removed key:order1
2020-05-07 13:24:29 removed key:order2
2020-05-07 13:24:39 removed key:order3
2020-05-07 13:24:39 zset empty
4、Redis 过期回调

Redis
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

notify-keyspace-events Ex

Redis
监听配置,注入Bean
RedisMessageListenerContainer

@Configuration
public class RedisListenerConfig {
@Bean
RedisMessageListenerContainer container(RedisConnectionFactory connectionFactory) {

RedisMessageListenerContainer container = new RedisMessageListenerContainer();
container.setConnectionFactory(connectionFactory);
return container;
}
}

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。

@Component
public class RedisKeyExpirationListener extends KeyExpirationEventMessageListener {

public RedisKeyExpirationListener(RedisMessageListenerContainer listenerContainer) {
super(listenerContainer);
}
@Override
public void onMessage(Message message, byte[] pattern) {
String expiredKey = message.toString();
System.out.println("监听到key:" + expiredKey + "已过期");
}
}

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。

set xiaofu 123 ex 3

在控制台成功监听到了这个过期的

key

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
DXL
这两个属性间接实现的。

先来认识一下

TTL
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
消息本身

  • 设置队列过期时间,那么队列中所有消息都具有相同的过期时间。
  • 设置消息过期时间,对队列中的某一条消息设置过期时间,每条消息
    TTL
    都可以不同。

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
Queue
(队列)可以配置两个参数
x-dead-letter-exchange
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:

  • 消息或者队列的
    TTL
    过期
  • 队列达到最大长度
  • 消息被消费端拒绝(basic.reject or basic.nack)

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

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

设置延迟队列出现死信后的转发规则

/**
* 延时队列
*/
@Bean(name = "order.delay.queue")
public Queue getMessageQueue() {
return QueueBuilder
.durable(RabbitConstant.DEAD_LETTER_QUEUE)
// 配置到期后转发的交换
.withArgument("x-dead-letter-exchange", "order.close.exchange")
// 配置到期后转发的路由键
.withArgument("x-dead-letter-routing-key", "order.close.queue")
.build();
}
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
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
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
    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。
public HashedWheelTimer(ThreadFactory threadFactory, long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel) {
this(threadFactory, tickDuration, unit, ticksPerWheel, true);
}
  • TimerTask
    :一个定时任务的实现接口,其中run方法包装了定时任务的逻辑。
  • Timeout
    :一个定时任务提交到
    Timer
    之后返回的句柄,通过这个句柄外部可以取消这个定时任务,并对定时任务的状态进行一些基本的判断。
  • Timer
    :是
    HashedWheelTimer
    实现的父接口,仅定义了如何提交定时任务和如何停止整个定时机制。

    public class NettyDelayQueue {
    
    public static void main(String[] args) {
    
    final Timer timer = new HashedWheelTimer(Executors.defaultThreadFactory(), 5, TimeUnit.SECONDS, 2);
    
    //定时任务
    TimerTask task1 = new TimerTask() {
    public void run(Timeout timeout) throws Exception {
    System.out.println("order1  5s 后执行 ");
    timer.newTimeout(this, 5, TimeUnit.SECONDS);//结束时候再次注册
    }
    };
    timer.newTimeout(task1, 5, TimeUnit.SECONDS);
    TimerTask task2 = new TimerTask() {
    public void run(Timeout timeout) throws Exception {
    System.out.println("order2  10s 后执行");
    timer.newTimeout(this, 10, TimeUnit.SECONDS);//结束时候再注册
    }
    };
    
    timer.newTimeout(task2, 10, TimeUnit.SECONDS);
    
    //延迟任务
    timer.newTimeout(new TimerTask() {
    public void run(Timeout timeout) throws Exception {
    System.out.println("order3  15s 后执行一次");
    }
    }, 15, TimeUnit.SECONDS);
    
    }
    }

    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。

order1  5s 后执行
order2  10s 后执行
order3  15s 后执行一次
order1  5s 后执行
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!!!

最后

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