java并发中DelayQueue延迟队列原理剖析

DelayQueue队列是一个延迟队列,本文将结合实例代码,详细的介绍DelayQueue延迟队列的源码分析,感兴趣的小伙伴们可以参考一下

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 { /** * 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 q = new PriorityQueue(); /** * 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(); } } 
  1. 当获取元素时,先获取到锁对象。
  2. 获取最早过期的元素,但是并不从队列中弹出元素。
  3. 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。
  4. 如果最早过期的元素不为空
    1. 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
    2. 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。
    3. 最后将Leader线程设置为空
  5. 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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