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死磕 Java 并发：J.U.C 之阻塞队列 - DelayQueue

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

作者：大明哥

原文地址：http://cmsblogs.com

说明

队列是比较常见的数据结构，我们也经常使用到，BlockingQueue常用于生产者消费者场景，在Java的并发包中已经提供了BlockingQueue的实现，后面几篇会介绍几种主要的阻塞队列。

J.U.C之AQS传送门: 【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS（一篇就够了）

DelayQueue介绍

DelayQueue是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。里面的元素全部都是“可延期”的元素，列头的元素是最先“到期”的元素，如果队列里面没有元素到期，是不能从列头获取元素的，哪怕有元素也不行。也就是说只有在延迟期到时才能够从队列中取元素。

DelayQueue主要用于两个方面：

- 缓存：清掉缓存中超时的缓存数据

- 任务超时处理

DelayQueue

DelayQueue实现的关键主要有如下几个：

可重入锁ReentrantLock
用于阻塞和通知的Condition对象
根据Delay时间排序的优先级队列：PriorityQueue
用于优化阻塞通知的线程元素leader

ReentrantLock、Condition这两个对象就不需要阐述了，他是实现整个BlockingQueue的核心。PriorityQueue是一个支持优先级线程排序的队列（参考【死磕Java并发】-----J.U.C之阻塞队列：PriorityBlockingQueue），leader后面阐述。这里我们先来了解Delay，他是实现延时操作的关键。

Delayed

Delayed接口是用来标记那些应该在给定延迟时间之后执行的对象，它定义了一个long getDelay(TimeUnit unit)方法，该方法返回与此对象相关的的剩余时间。同时实现该接口的对象必须定义一个compareTo 方法，该方法提供与此接口的 getDelay 方法一致的排序。

public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

如何使用该接口呢？上面说的非常清楚了，实现该接口的getDelay()方法，同时定义compareTo()方法即可。

内部结构

先看DelayQueue的定义：

   public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
            implements BlockingQueue<E> {
        /** 可重入锁 */
        private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        /** 支持优先级的BlockingQueue */
        private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
        /** 用于优化阻塞 */
        private Thread leader = null;
        /** Condition */
        private final Condition available = lock.newCondition();
        /**
         * 省略很多代码
         */
    }

看了DelayQueue的内部结构就对上面几个关键点一目了然了，但是这里有一点需要注意，DelayQueue的元素都必须继承Delayed接口。同时也可以从这里初步理清楚DelayQueue内部实现的机制了：以支持优先级无界队列的PriorityQueue作为一个容器，容器里面的元素都应该实现Delayed接口，在每次往优先级队列中添加元素时以元素的过期时间作为排序条件，最先过期的元素放在优先级最高。

offer()

   public boolean offer(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            // 向 PriorityQueue中插入元素
            q.offer(e);
            // 如果当前元素的对首元素（优先级最高），leader设置为空，唤醒所有等待线程
            if (q.peek() == e) {
                leader = null;
                available.signal();
            }
            // 无界队列，永远返回true
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

offer(E e)就是往PriorityQueue中添加元素，具体可以参考（【死磕Java并发】-----J.U.C之阻塞队列：PriorityBlockingQueue）。整个过程还是比较简单，但是在判断当前元素是否为对首元素，如果是的话则设置leader=null，这是非常关键的一个步骤，后面阐述。

take()

   public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            for (;;) {
                // 对首元素
                E first = q.peek();
                // 对首为空，阻塞，等待off()操作唤醒
                if (first == null)
                    available.await();
                else {
                    // 获取对首元素的超时时间
                    long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                    // <=0 表示已过期，出对，return
                    if (delay <= 0)
                        return q.poll();
                    first = null; // don't retain ref while waiting
                    // leader != null 证明有其他线程在操作，阻塞
                    if (leader != null)
                        available.await();
                    else {
                        // 否则将leader 设置为当前线程，独占
                        Thread thisThread = Thread.currentThread();
                        leader = thisThread;
                        try {
                            // 超时阻塞
                            available.awaitNanos(delay);
                        } finally {
                            // 释放leader
                            if (leader == thisThread)
                                leader = null;
                        }
                    }
                }
            }
        } finally {
            // 唤醒阻塞线程
            if (leader == null && q.peek() != null)
                available.signal();
            lock.unlock();
        }
    }

首先是获取对首元素，如果对首元素的延时时间 delay <= 0 ，则可以出对了，直接return即可。否则设置first = null，这里设置为null的主要目的是为了避免内存泄漏。如果 leader != null 则表示当前有线程占用，则阻塞，否则设置leader为当前线程，然后调用awaitNanos()方法超时等待。

first = null

这里为什么如果不设置first = null，则会引起内存泄漏呢？线程A到达，列首元素没有到期，设置leader = 线程A，这是线程B来了因为leader != null，则会阻塞，线程C一样。假如线程阻塞完毕了，获取列首元素成功，出列。这个时候列首元素应该会被回收掉，但是问题是它还被线程B、线程C持有着，所以不会回收，这里只有两个线程，如果有线程D、线程E…呢？这样会无限期的不能回收，就会造成内存泄漏。

这个入队、出对过程和其他的阻塞队列没有很大区别，无非是在出对的时候增加了一个到期时间的判断。同时通过leader来减少不必要阻塞。