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转-Java-无界阻塞队列-DelayQueue-入门实战

原文出处:http://cmsblogs.com/『chenssy

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:

  1. 可重入锁 ReentrantLock
  2. 用于阻塞和通知的 Condition 对象
  3. 根据 Delay 时间排序的优先级队列:PriorityQueue
  4. 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。

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