Java 并发 --- 阻塞队列之DelayQueue源码分析
DelayQueue 介绍（jdk 1.8）
DelayQueue 是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列，队列使用PriorityQueue来实现，队列中的元素必须实现Delayed接口，在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素，只有在延时期满时才能从队列中提取元素。
PriorityQueue 是一种优先级的队列，队列中的元素会按照优先级进行排序，我们在前面讲过PriorityBlockingQueue，PriorityQueue其实现原理也是使用的二叉堆，因此这次将不会再分析PriorityQueue的原理了，可以参考Java 并发 — 阻塞队列之PriorityBlockingQueue 中关于对二叉堆的分析。
Delayed 接口分析
public interface Delayed extends Comparable<Delayed> {
/**
* Returns the remaining delay associated with this object, in the
* given time unit.
*
* @param unit the time unit
* @return the remaining delay; zero or negative values indicate
* that the delay has already elapsed
*/
long getDelay(TimeUnit unit);
}Delayed 接口有一个getDelay 方法接口，该方法用来告知延迟到期有多长的时间，或者延迟在多长时间之前已经到期，是不是很简单。
为了排序Delayed 接口还继承了Comparable 接口，因此必须实现compareTo()，使其可以进行元素的比较。
DelayQueue 继承体系
和阻塞队列ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，PriorityBlockingQueue基本是一样的，唯独没有实现序列化接口。
DelayQueue 实现了BlockingQueue接口，该接口中定义了阻塞的方法接口，
DelayQueue 继承了AbstractQueue，具有了队列的行为。
DelayQueue 数据结构
public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
implements BlockingQueue<E> {
//可重入锁
private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//存储元素的优先级队列
private final PriorityQueue q = new PriorityQueue();
//获取数据 等待线程标识
private Thread leader = null;
//条件控制，表示是否可以从队列中取数据
private final Condition available = lock.newCondition();
}
DelayQueue 通过组合一个PriorityQueue 来实现元素的存储以及优先级维护，通过ReentrantLock 来保证线程安全，通过Condition 来判断是否可以取数据，对于leader我们后面再来分析它的作用。
构造方法
1、默认构造方法，这个简单，什么都没有
public DelayQueue() {}2、通过集合初始化
public DelayQueue(Collection c) {
this.addAll(c);
}DelayQueue 内部组合PriorityQueue，对元素的操作都是通过PriorityQueue 来实现的，DelayQueue 的构造方法很简单，对于PriorityQueue 都是使用的默认参数，不能通过DelayQueue 来指定PriorityQueue的初始大小，也不能使用指定的Comparator，元素本身就需要实现Comparable ，因此不需要指定的Comparator。
入队
1、add(E e)
将指定的元素插入到此队列中，在成功时返回 true
public boolean add(E e) {
return offer(e);
}2、offer(E e)
将指定的元素插入到此队列中，在成功时返回 true，在前面的add 中，内部调用了offer 方法，我们也可以直接调用offer 方法来完成入队操作。
public boolean offer(E e) {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获取锁
lock.lock();
try {
//通过PriorityQueue 来将元素入队
q.offer(e);
//peek 是获取的队头元素，唤醒阻塞在available 条件上的一个线程，表示可以从队列中取数据了
if (q.peek() == e) {
leader = null;
available.signal();
}
return true;
} finally {
lock.unlock();
}
}peek并不一定是当前添加的元素，队头是当前添加元素，说明当前元素e的优先级最小也就即将过期的，这时候激活avaliable变量条件队列里面的一个线程，通知他们队列里面有元素了。
3、offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
/**
* Inserts the specified element into this delay queue. As the queue is
* unbounded this method will never block.
*
* @param e the element to add
* @param timeout This parameter is ignored as the method never blocks
* @param unit This parameter is ignored as the method never blocks
* @return {@code true}
* @throws NullPointerException {@inheritDoc}
*/
public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) {
//调用offer 方法
return offer(e);
}因为是无界队列，因此不会出现”队满”(超出最大值会抛异常)，指定一个等待时间将元素放入队列中并没有意义，队列没有达到最大值那么会入队成功，达到最大值，则失败，不会进行等待。
4、put(E e)
将指定的元素插入此队列中,队列达到最大值，则抛oom异常
public void put(E e) {
offer(e);
}虽然提供入队的接口方式很多，实际都是调用的offer 方法，通过PriorityQueue 来进行入队操作，入队超时方法并没有其超时功能。
出队
1、poll()
获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null
/**
* Retrieves and removes the head of this queue, or returns {@code null}
* if this queue has no elements with an expired delay.
*
* @return the head of this queue, or {@code null} if this
* queue has no elements with an expired delay
*/
public E poll() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//获取同步锁
lock.lock();
try {
//获取队头
E first = q.peek();
//如果队头为null 或者 延时还没有到，则返回null
if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
return null;
else
return q.poll(); //元素出队
} finally {
lock.unlock();
}
}2、poll(long timeout, TimeUnit unit)
获取并移除此队列的头部，在指定的等待时间前等待。
public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
//超时等待时间
long nanos = unit.toNanos(timeout);
final ReentrantLock lock = this.lock;
//可中断的获取锁
lock.lockInterruptibly();
try {
//无限循环
for (;;) {
//获取队头元素
E first = q.peek();
//队头为空，也就是队列为空
if (first == null) {
//达到超时指定时间，返回null
if (nanos <= 0)
return null;
else
// 如果还没有超时，那么再available条件上进行等待nanos时间
nanos = available.awaitNanos(nanos);
} else {
//获取元素延迟时间
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
//延时到期
if (delay <= 0)
return q.poll(); //返回出队元素
//延时未到期，超时到期，返回null
if (nanos <= 0)
return null;
first = null; // don't retain ref while waiting
// 超时等待时间 < 延迟时间 或者有其它线程再取数据
if (nanos < delay || leader != null)
//在available 条件上进行等待nanos 时间
nanos = available.awaitNanos(nanos);
else {
//超时等待时间 > 延迟时间 并且没有其它线程在等待，那么当前元素成为leader，表示leader 线程最早 正在等待获取元素
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
//等待 延迟时间 超时
long timeLeft = available.awaitNanos(delay);
//还需要继续等待 nanos
nanos -= delay - timeLeft;
} finally {
//清除 leader
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
//唤醒阻塞在available 的一个线程，表示可以取数据了
if (leader == null && q.peek() != null)
available.signal();
//释放锁
lock.unlock();
}
}来梳理梳理这里的逻辑：
1、如果队列为空，如果超时时间未到，则进行等待，否则返回null
2、队列不空，取出队头元素，如果延迟时间到，则返回元素，否则 如果超时 时间到 返回null
3、超时时间未到，并且超时时间< 延迟时间或者有线程正在获取元素，那么进行等待
4、超时时间> 延迟时间，那么肯定可以取到元素，设置leader为当前线程，等待延迟时间到期。
这里需要注意的时Condition 条件在阻塞时会释放锁，在被唤醒时会再次获取锁，获取成功才会返回。
当进行超时等待时，阻塞在Condition 上后会释放锁,一旦释放了锁，那么其它线程就有可能参与竞争，某一个线程就可能会成为leader(参与竞争的时间早，并且能在等待时间内能获取到队头元素那么就可能成为leader)
leader是用来减少不必要的竞争,如果leader不为空说明已经有线程在取了,设置当前线程等待即可。（leader 就是一个信号，告诉其它线程：你们不要再去获取元素了，它们延迟时间还没到期，我都还没有取到数据呢，你们要取数据，等我取了再说）
下面用流程图来展示这一过程：
3、take() :
获取并移除此队列的头部，在元素变得可用之前一直等待
public E take() throws InterruptedException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try {
for (;;) {
E first = q.peek();
if (first == null)
available.await();
else {
long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
//延迟到期
if (delay <= 0)
return q.poll();
first = null; // don't retain ref while waiting
//如果有其它线程在等待获取元素，则当前线程不用去竞争，直接等待
if (leader != null)
available.await();
else {
Thread thisThread = Thread.currentThread();
leader = thisThread;
try {
//等待延迟时间到期
available.awaitNanos(delay);
} finally {
if (leader == thisThread)
leader = null;
}
}
}
}
} finally {
if (leader == null && q.peek() != null)
available.signal();
lock.unlock();
}
}该方法就是相当于在前面的超时等待中，把超时时间设置为无限大，那么这样只要队列中有元素，要是元素延迟时间要求，那么就可以取出元素，否则就直接等待元素延迟时间到期，再取出元素，最先参与等待的线程会成为leader。
4、peek()
调用此方法，可以返回队头元素，但是元素并不出队。
public E peek() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
//返回队列头部元素，元素不出队
return q.peek();
} finally {
lock.unlock();
}
}总结
- DelayQueue 内部通过组合PriorityQueue 来实现存储和维护元素顺序的。
- DelayQueue 存储元素必须实现Delayed 接口，通过实现Delayed 接口，可以获取到元素延迟时间，以及可以比较元素大小（Delayed 继承Comparable）
- DelayQueue 通过一个可重入锁来控制元素的入队出队行为
- DelayQueue 中leader 标识 用于减少线程的竞争，表示当前有其它线程正在获取队头元素。
- PriorityQueue 只是负责存储数据以及维护元素的顺序，对于延迟时间取数据则是在DelayQueue 中进行判断控制的。
- DelayQueue 没有实现序列化接口
如果对优先级队列不清楚，可以参考一下这篇文章：
Java 并发 — 阻塞队列之PriorityBlockingQueue