一文讀懂，Java内置的延遲隊列DelayQueue，原理及使用方法

Java的延遲隊列（DelayQueue）是一種帶有延遲時間的阻塞隊列，最初在JDK1.5中引入。它允許我們向隊列中添加具有延遲時間的元素，并在元素到期後從隊列中擷取這些元素。

一、實作原理

Java 延遲隊列的實作基于 priority queue (優先級隊列)，隊列中的元素根據到期時間排序。隊列頭部是最先到期的元素，每個元素都可以有不同的到期時間。DelayQueue 内部使用了堆排序算法，是以可以快速高效地查找、插入和删除元素。即使隊列中的元素數量非常龐大，它的性能也不會受到影響。

當添加一個元素到隊列中時，該元素會按照其到期時間插入到适當的位置，排成有序序列。當隊列中的元素到達到期時間時，該元素會從隊列頭部被移除。

每個元素都是一個實作了 java.util.concurrent.Delayed 接口的對象，該接口定義了兩個方法：

long getDelay(TimeUnit unit); // 傳回該元素還需等待的時間。
int compareTo(Delayed o); // 對元素進行比較，以便于維護過期元素的順序。           

Java 延遲隊列 DelayQueue 實作了 BlockingQueue 接口，是以它具備了阻塞等待的能力，當嘗試取出一個元素時，如果隊列中沒有到期的元素，那麼目前線程會進入阻塞狀态，直到有一個元素過期或者插入一個過期的元素，喚醒目前線程進行取出操作。

public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E> {

    private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();
    ......
    
}           

二、代碼示例

定義了一個名為 DelayedElement 的類，它包含一個延遲時間和一個字元串 data。在構造函數中，我們計算出需要等待的時間，并将延遲時間設定為目前時間加上該時間。

實作了 Delayed 接口之後，我們需要實作 getDelay 和 compareTo 方法。 getDelay 方法傳回元素還需要等待的時間， compareTo 方法用于比較兩個元素的優先級，其中優先級由剩餘的延遲時間決定。

public class DelayedElement implements Delayed {
     // 元素的到期時間
    private long delayTime;
    // 元素包含的資料
    private String data; 

    /**
     * 建立一個帶有延遲時間的元素對象
     * @param delayTime 延遲時間，機關為毫秒
     * @param data 包含的資料
     */
    public DelayedElement(long delayTime, String data) {
       // 計算元素的到期時間
        this.delayTime = System.currentTimeMillis() + delayTime; 
        this.data = data;
    }

    /**
     * 擷取元素的剩餘延遲時間
     * @param unit 時間機關
     * @return 元素的剩餘延遲時間
     */
    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        // 計算元素到期時間與目前時間的時間差
        long diff = delayTime - System.currentTimeMillis();
        // 将時間差轉換為指定的時間機關
        return unit.convert(diff, TimeUnit.MILLISECONDS); 
    }

    /**
     * 比較兩個元素的到期時間，用于優先級隊列的排序
     * @param o 要比較的另一個元素
     * @return -1、0 或 1，分别代表該元素到期時間早于、等于或晚于另一個元素
     */
    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        if (this.delayTime < ((DelayedElement) o).delayTime) {
            return -1;
        }
        if (this.delayTime > ((DelayedElement) o).delayTime) {
            return 1;
        }
        return 0;
    }

    /**
     * 傳回元素的字元串表示
     * @return 元素的字元串表示
     */
    @Override
    public String toString() {
        return "DelayedElement{" +
                "delayTime=" + delayTime +
                ", data='" + data + '\'' +
                '}';
    }
}           

在主函數中，首先建立一個 DelayQueue。然後，我們使用 put 方法将兩個 DelayedElement 對象放入隊列中。最後，我們一直從隊列中取元素并輸出它們，直到隊列為空。

import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class DelayedQueueExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 建立 DelayQueue
        DelayQueue<DelayedElement> queue = new DelayQueue<>();

        // 将元素放入 DelayQueue，延遲1s
        queue.put(new DelayedElement(1000, "Hello"));
        // 将元素放入 DelayQueue，延遲5s
        queue.put(new DelayedElement(5000, "World"));

        // 擷取延遲元素并輸出
        while (!queue.isEmpty()) {
            DelayedElement element = queue.take();
            System.out.println(element);
        }
    }
}           

輸出結果：

DelayedElement{delayTime=1620478571034, data='Hello'}
DelayedElement{delayTime=1620478576031, data='World'}           

第一個元素的延遲時間為1000毫秒，第二個元素的延遲時間為5000毫秒。

三、使用場景舉例

Java 的延遲隊列可以用在很多場景中，比如任務排程器。在某個時間點執行某個特定的任務，或者在某個時間段内以指定的頻率執行任務。Java 延遲隊列可以輕松地實作這樣的任務排程器。

import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TaskScheduler {
    private DelayQueue<Task> queue = new DelayQueue<>();

    public void schedule(Task task) {
        queue.offer(task);
    }

    public void run() {
        while (!queue.isEmpty()) {
            try {
                Task task = queue.take();
                task.run();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private static class Task implements Delayed {
        private Runnable runnable;
        private long executeTime;

        public Task(Runnable runnable, long delay) {
            this.runnable = runnable;
            this.executeTime = System.currentTimeMillis() + delay;
        }

        public void run() {
            runnable.run();
        }

        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(executeTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
        }

        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            return Long.compare(executeTime, ((Task)o).executeTime);
        }
    }
}
           

我們可以在任務排程器中添加一個任務，該任務包含要執行的代碼塊和延遲時間。當調用 schedule 方法添加任務時，任務會按照其延遲時間插入到延遲隊列中。然後，我們可以調用 run 方法來運作任務排程器并等待任務執行。

四、優缺點

優點：

• 簡單易用：Java 的 DelayQueue 工具很容易使用，不需要過多的配置和大量的代碼。隻需簡單實作 Delayed 接口即可。

• 高效：基于優先級隊列的實作方式，DelayQueue 内部使用了堆排序算法，是以可以快速高效地查找、插入和删除元素。即使隊列中的元素數量非常龐大，它的性能也不會受到影響。

缺點：

• 不支援任務取消：一旦任務被添加到 DelayQueue 中，就無法取消或删除它，這可能會導緻不必要的資源占用。

• 對系統記憶體的消耗：DelayQueue 内部實作是一個優先級隊列，随着任務數量的增加，隊列大小會逐漸增大，這可能會占用大量的系統記憶體。
• 無法保證任務執行的精确時間：由于 DelayQueue 是基于時間的延遲機制，是以任務的執行時間不能保證精确，任務的實際執行時間可能比預期要早或者要晚。

五、總結

延遲隊列是一個非常有用的 Java 資料結構，它可以用于多種場景，包括緩存過期、任務逾時和心跳檢測等。在延遲隊列中，每個元素都有一個過期時間，當元素到期時，其相關操作被執行。Java的延遲隊列通過維護一個優先級隊列來實作，元素以一定的優先級順序存放在隊列中。從延遲隊列中擷取元素時，如果元素還沒有過期，将會被阻塞，直到元素到期或者被删除。在 Java 中，我們可以使用 java.util.concurrent.DelayQueue 來執行個體化延遲隊列。

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