【并发编程】基于优先级队列实现的无界阻塞队列DelayQueue

DelayQueue是什么

DelayQueue 是一个支持延时获取元素的阻塞队列。
内部采用优先队列 PriorityQueue 存储元素，同时元素必须实现 Delayed 接口；
在创建元素时可以指定多久才可以从队列中获取当前元素，只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。

DelayQueue的使用场景

商城订单超时关闭。
异步短信通知功能。
关闭空闲连接。服务器中，有很多客户端的连接，空闲一段时间之后需要关闭。
缓存过期清除。缓存中的对象，超过了存活时间，需要从缓存中移出。
任务超时处理。在网络协议滑动窗口请求应答式交互时，处理超时未响应的请求。

DelayQueue的特点

不是先进先出，而是会按照延迟时间的长短来排序，下一个即将执行的任务会排到队列的最前面。
使用的锁：ReentrantLock。
使用的数据结构：PriorityQueue。与PriorityBlockingQueue类似，不过没有阻塞功能。
阻塞的对象：Condition available

DelayQueue的入队出队逻辑

入队：不阻塞，无界队列，与优先级队列入队相同，available。
出队：为空时阻塞。不为空时检查堆顶元素过期时间，小于等于0则出队，大于0，说明没过期，则阻塞。

DelayQueue的数据结构源码分析

// 用于保证队列操作的线程安全
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 优先级队列,存储元素，用于保证延迟低的优先执行
private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
// 用于标记当前是否有线程在排队（仅用于取元素时）:leader指向的是第一个从队列获取元素阻塞的线程
private Thread leader = null;
// 条件，用于表示现在是否有可取的元素:当新元素到达，或新线程可能需要成为leader时被通知
private final Condition available = lock.newCondition();

DelayQueue的构造方法源码分析

/**
 * 无参构造，什么也不做
 */
public DelayQueue() {}

/**
 * 有数据需要初始化的构造方法。
 */
public DelayQueue(Collection<? extends E> c) {
    this.addAll(c);
}

/**
 * 添加全部元素
 */
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // 添加的元素为空，抛异常
    if (c == null)
        throw new NullPointerException();
    // 传入的是当前对象，抛异常
    if (c == this)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 定义修改的标志
    boolean modified = false;
    for (E e : c)
        // 添加元素
        if (add(e))
            // 添加成功，修改标志
            modified = true;
    // 返回修改的标志
    return modified;
}

DelayQueue的入队方法源码分析

/**
 * DelayQueue的入队方法
 */
public void put(E e) {
    offer(e);
}

/**
 * 有返回值的入队方法
 */
public boolean offer(E e) {
    // 得到当前队列的锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
        // 调用优先级队列的offer操作
        q.offer(e);
        // 调用优先级队列的窥探操作：入队的元素位于队列头部，说明当前元素延迟最小
        if (q.peek() == e) {
            // 将 leader 置空
            leader = null;
            // available条件队列转同步队列,准备唤醒阻塞在available上的线程
            available.signal();
        }
        // 返回入队成功
        return true;
    } finally {
        // 解锁，真正唤醒阻塞的线程
        lock.unlock();
    }
}

DelayQueue的出队方法源码分析

/**
 * DelayQueue的出队方法
 */
public E take() throws InterruptedException {
    // 得到当前队列的锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁操作：优先响应中断
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            // 取出堆顶元素( 最早过期的元素，但是不弹出对象)   
            E first = q.peek();
            // 如果堆顶元素为空，说明队列中还没有元素，直接阻塞等待
            if (first == null)
                available.await();
            else {
                // 得到堆顶元素的到期时间
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)
                    // 如果小于0说明已到期，直接调用poll()方法弹出堆顶元素
                    return q.poll();

                // 下面的逻辑是delay大于0 ，要阻塞了
                // 将first置为空方便gc
                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)
                    available.await();
                else {
                    // 如果leader为null，把当前线程赋值给它
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        // 等待剩余等待时间
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                        // 如果leader还是当前线程就把它置为空，让其它线程有机会获取元素
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        // 成功出队后，如果leader为空且堆顶还有元素，就唤醒下一个等待的线程
        if (leader == null && q.peek() != null)
            // available条件队列转同步队列,准备唤醒阻塞在available上的线程
            available.signal();
        // 解锁，真正唤醒阻塞的线程
        lock.unlock();
    }
}