转：基于Redis实现延时队列
摘要：使用 sortedset，拿时间戳作为score，消息内容作为 key 调用 zadd 来生产消息，消费者用 zrangebyscore 指令获取 N 秒之前的数据轮询进行处理。
前段时间做一个项目，需要各种定时任务处理会话状态，处理订单状态，然后需求不停的变，修修改改就觉得很麻烦，就去了解了一下有没有什么便捷的方式取代繁琐的定时任务，于是就找到了延迟队列的这种实现方式。
一、应用场景
- 订单超过 30 分钟未支付，则自动取消。
- 订单一些评论，如果48h用户未对商家评论，系统会自动产生一条默认评论。
- 外卖商家超时未接单，则自动取消订单。
- 医生抢单电话点诊，超过 30 分钟未打电话，则自动退款。
如上场景都可以用定时任务去轮询实现，但是当数据量过大的时候，高频轮询数据库会消耗大量的资源，此时用延迟队列来应对这类场景比较好。
二、需求
根据自身业务和公司情况，如果实现一个自己的延时队列服务需要考虑一下几点:
- 消息存储
- 过期延时消息实时获取
- 高可用性
三、为什么使用 Redis 实现？
延时队列就是一种带有延迟功能的消息队列。下面会介绍几种目前已有的延时队列。
3.1、RabbitMQ 延时队列
优点：消息持久化，分布式。
缺点：延时相同的消息必须扔在同一个队列，每一种延时就需要建立一个队列。因为当后面的消息比前面的消息先过期，还是只能等待前面的消息过期，这里的过期检测是惰性的。
使用: RabbitMQ 可以针对 Queue 设置 x-expires 或者针对 Message 设置 x-message-ttl ，来控制消息的生存时间（可以根据 Queue 来设置，也可以根据 message 设置）, Queue 还可以配置 x-dead-letter-exchange 和 x-dead-letter-routing-key（可选）两个参数，如果队列内出现了 dead letter ，则按照这两个参数重新路由转发到指定的队列，此时就可以实现延时队列了。
RabbitMQ天然具备分布式的特性，可以很好的用在多服务。
3.2、DelayQueue 延时队列
优点：无界、延迟、阻塞队列
缺点：非持久化
介绍：JDK 自带的延时队列，没有过期元素的话，使用 poll() 方法会返回 null 值，超时判定是通过getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) 方法的返回值小于等于0来判断，并且不能存放空元素。
使用：getDelay 方法定义了剩余到期时间，compareTo 方法定义了元素排序规则。poll() 是非阻塞的获取数据，take() 是阻塞形式获取数据。实现 Delayed 接口即可使用延时队列。
注意事项：DelayQueue 实现了 Iterator 接口，但 iterator() 遍历顺序不保证是元素的实际存放顺序。
/**
* 实现 Delayed 定义延时队列
*/
@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class Sequence implements Delayed {
private Long time;
private String name;
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
return time - System.currentTimeMillis();
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) > o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
return 1;
} else if (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) < o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS)) {
return -1;
} else {
return 0;
}
}
}
3.3、Scala 的 Await & Future
优点：消息实时性
缺点：非持久化
介绍：Scala 的 ExecutionContext 中使用Await 的 result(awaitable: Awaitable[T], atMost: Duration)方法可以根据传入的 atMost 间隔时间异步执行 awaitable。
import scala.concurrent.ExecutionContext.Implicits.global
import scala.concurrent.{Await, Future}
object test extends App {
val task = Future{ doSomething() }
Await.result(task, 5 seconds)
}
3.4、Redis 延迟队列
- 消息持久化，至少被消费一次。
- 实时性：存在一定的时间误差（定时任务间隔）。
- 支持指定消息 remove。
- 高可用性。
- Redis 的特殊数据结构 ZSet 满足延迟的特性。
四、Redis 的使用
4.1、使用 sortedset 操作元素
赋值：zadd key score1 value1 score2 value2... (把全部的元素添加到sorted set中，并且每个元素有其对应的分数，返回值是新增的元素个数。)
获取元素：
- zscore key value：返回指定成员的分数
- zcard key : 获取集合中的成员数量
删除元素：zrem key value1 value2 … 删除指定元素
- zremrangebyrank key start stop：按照排名范围删除元素。
- zremrangebyscore key min max：按照分数范围删除元素。
查询元素：
- zrange key start end withscores：查询start到end之间的成员。
- zrevrange key start end withscores：查询成员分数从大到小顺序的索引 start 到 end 的所有成员。
- zrangebyscore key min max withscores limit offset count：返回分数 min 到 max 的成员并按照分数从小到大排序, limit 是从 offset 开始展示几个元素。
4.2、Redis 实现方式
使用sortedset，用时间戳作为score，使用zadd key score1 value1
命令生产消息，使用zrangebysocre key min max withscores limit 0 1消费消息最早的一条消息。
这里选用 Redis 主要的原因就是其支持高性能的 score 排序，同时 Redis 的持久化 bgsave 特性，保证了消息的消费和存贮问题。bgsave 的原理是 fork 和 cow。fork 是指 Redis 通过创建子进程来进行 bgsave 操作, cow 指的是copy on write, 子进程创建后, 父进程通过共享数据段, 父进程继续提供读写服务, 写脏的页面数据会逐渐和子进程分离开来。
4.3、ACK
队列最重要的就是保证消息被成功消费，这里也不可避免的需要考虑这个问题。
RabbitMQ 的 ACK机制：Publisher 把消息发送到 Consumer，如果 Consumer 已处理完任务，那么它将向 Broker 发送 ACK 消息，告知某条消息已被成功处理，可以从队列中移除。如果 Consumer 没有发送回 ACK 消息，那么 Broker 会认为消息处理失败，会将此消息及后续消息分发给其它 Consumer 进行处理 ( redeliver flag 置为 true )。
这种确认机制和 TCP/IP 协议确立连接类似。不同的是，TCP/IP 确立连接需要经过三次握手，而 RabbitMQ 只需要一次 ACK。还有一个重要的是，RabbitMQ 当且仅当检测到 ACK 消息未发出且 Consumer 的连接终止时才会将消息重新分发给其他 Consumer ，因此不需要担心消息处理时间过长而被重新分发的情况。
Redis 实现 ACK
- 需要在业务代码中处理消息失败的情况，回滚消息到原始等待队列。
- Consumer 挂掉，仍然需要回滚消息到等待队列中。
- 前者只需要在业务中处理消费异常的情况，后者则需要维护两个队列。
Redis ACK 实现方案
维护一个消息记录表，存贮消息的消费记录，用于失败时回滚消息。表中记录消息ID、消息内容、消息时间、消息状态。
定时任务轮询该消息表，处理消费记录表中消费状态未成功的记录，重新放入等待队列。
4.4、多实例问题
多实例是指同一个服务部署在不同的地方，发挥相同的作用，此时就会导致同时消费同一个消息的问题。
一般情况下解决此类问题就需要考虑接入外部应用的辅助。常见的分布式锁的方案有：♦基于数据库实现分布式锁、♦基于缓存实现分布式锁、♦基于 Zookeeper 实现分布式锁。这里使用基于Redis的缓存来解决问题。
利用 Redis 的 setnx 的互斥特性，把 key 当作锁存在 Redis 中，但是用 setnx 需要解决死锁和正确解锁的问题。
死锁：设置 key-value 的过期时间，并且使用 lua 脚本保证加锁和设置过期时间的原子性。
解锁：解锁需要保证是加锁客户端进行解锁操作。将 value 设置为 UUID，用对应的 UUID 去解锁保证是加锁客户端进行对应的解锁操作。
利用 Redis 的 List 实现一个 Publisher 推送消费保证只被消费一次，这种不用考虑死锁问题，但是需要额外维护一个队列。
五、Jedis实现简单延时队列
Zset本质就是Set结构上加了个排序的功能，除了添加数据value之外，还提供另一属性score，这一属性在添加修改元素的时候可以指定，每次指定后，Zset会自动重新排序。可以理解为有两列字段的数据表，一列存value,一列存次序编号。操作中key理解为zset的名字。那么这个特性对延时队列又有何用呢？试想如果score代表的是任务想要执行的时间戳，zset便会按照score的时间戳大小进行排序，也就是对执行时间进行排序。这样的话，起一个死循环线程不断地进行取第一个key值，如果当前时间戳不小于该socre，就将它取出来消费并删除，从而达到延时执行的目的。注意不需要遍历整个zset集合，以免造成性能浪费。
package cn.chinotan.service.delayQueueRedis;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import redis.clients.jedis.Jedis;
import redis.clients.jedis.JedisPool;
import redis.clients.jedis.Tuple;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Calendar;
import java.util.Date;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* @program: test
* @description: 单实例redis实现延时队列
**/
public class AppTest {
private static final String ADDR = "127.0.0.1";
private static final int PORT = 6379;
private static JedisPool jedisPool = new JedisPool(ADDR, PORT);
private static CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(10);
public static Jedis getJedis() {
return jedisPool.getResource();
}
/**
* 生产者,生成5个订单
*/
public void productionDelayMessage() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Calendar instance = Calendar.getInstance();
// 3秒后执行
instance.add(Calendar.SECOND, 3 + i);
AppTest.getJedis().zadd("orderId", (instance.getTimeInMillis()) / 1000, StringUtils.join("000000000", i + 1));
System.out.println("生产订单: " + StringUtils.join("000000000", i + 1) + " 当前时间：" + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()));
System.out.println((3 + i) + "秒后执行");
}
}
//消费者，取订单
public static void consumerDelayMessage() {
Jedis jedis = AppTest.getJedis();
while (true) {
Set<Tuple> order = jedis.zrangeWithScores("orderId", 0, 0);
if (order == null || order.isEmpty()) {
System.out.println("当前没有等待的任务");
try {
TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
continue;
}
Tuple tuple = (Tuple) order.toArray()[0];
double score = tuple.getScore();
Calendar instance = Calendar.getInstance();
long nowTime = instance.getTimeInMillis() / 1000;
if (nowTime >= score) {
String element = tuple.getElement();
Long orderId = jedis.zrem("orderId", element);
if (orderId > 0) {
System.out.println(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()) + ":redis消费了一个任务：消费的订单OrderId为" + element);
}
}
}
}
static class DelayMessage implements Runnable{
@Override
public void run() {
try {
cdl.await();
consumerDelayMessage();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
AppTest appTest = new AppTest();
appTest.productionDelayMessage();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new DelayMessage()).start();
cdl.countDown();
}
}
}
实现效果如下：
六、小结
使用 Redis 实现的队列具有很好的扩展性，可以很便捷的应对需求的变更和业务的扩展，但是对于简单的场景直接使用定时任务会更加容易。在有大量的定时任务需要实现的时候，就可以考虑使用延迟队列去实现，让代码更具有扩展性。
Redis 作为消息队列的局限性很大，实现 ack 机制的成本相对较高，然而他的轻量级的特性以及兼容很多的数据结构，Redis 成熟的分布式、持久化、集群等技术体系，让他可以实现一些轻量级的队列。总之没有最好的技术，只有最好的 developer。
Reference
Buy me a coffee. ☕Get red packets.