延迟队列

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(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。
notion image
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。
DelayQueueput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。
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,Order1Order2Order3 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。

2、Quartz 定时任务

Quartz一款非常经典任务调度框架,在RedisRabbitMQ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
 
在启动类中使用@EnableScheduling注解开启定时任务功能。
编写一个定时任务,每个5秒执行一次。
 

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。
notion image
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order1order2order3,分别是10秒20秒30秒后过期。
代码语言:javascript
复制
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
 
我们看到执行结果符合预期
 

4、Redis 过期回调

Rediskey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
代码语言:javascript
复制
notify-keyspace-events Ex
Redis监听配置,注入Bean RedisMessageListenerContainer
 
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。
 
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。
 
在控制台成功监听到了这个过期的key
 

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TTLDXL这两个属性间接实现的。
先来认识一下 TTLDXL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 ExchangesDLX
DLX即死信交换机,绑定在死信交换机上的即死信队列。RabbitMQQueue(队列)可以配置两个参数x-dead-letter-exchangex-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。
notion image
发送消息时指定消息延迟的时间
 
设置延迟队列出现死信后的转发规则
 

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。kafkanetty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
notion image
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roundindex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HashedWheelTimerHashedWheelTimer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;
  • tickDurationunit: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。
 
  • 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。
 
从执行的结果看,order3order3延时任务只执行了一次,而order2order1为定时任务,按照不同的周期重复执行。
 

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RabbitMQRedis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!!!
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