Java并发53:并发集合系列-基于独占锁+PriorityBlockingQueue实现的单向阻塞无界延时队列DelayQueue

[超级链接：Java并发学习系列-绪论]
[系列序章：Java并发43:并发集合系列-序章]

原文地址：http://cmsblogs.com/?p=2413

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Java并发52: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()方法

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（参考Java并发52: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()方法

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，这时线程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。