精巧好用的DelayQueue

我们谈一下实际的场景吧。我们在开发中，有如下场景

a) 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之。
b) 缓存。缓存中的对象，超过了空闲时间，需要从缓存中移出。
c) 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。

一种笨笨的办法就是，使用一个后台线程，遍历所有对象，挨个检查。这种笨笨的办法简单好用，但是对象数量过多时，可能存在性能问题，检查间隔时间不好设置，间隔时间过大，影响精确度，多小则存在效率问题。而且做不到按超时的时间顺序处理。

这场景，使用DelayQueue最适合了。

DelayQueue是java.util.concurrent中提供的一个很有意思的类。很巧妙，非常棒！但是java doc和Java SE 5.0的source中都没有提供Sample。我最初在阅读ScheduledThreadPoolExecutor源码时，发现DelayQueue的妙用。随后在实际工作中，应用在session超时管理，网络应答通讯协议的请求超时处理。

本文将会对DelayQueue做一个介绍，然后列举应用场景。并且提供一个Delayed接口的实现和Sample代码。

DelayQueue是一个BlockingQueue，其特化的参数是Delayed。（不了解BlockingQueue的同学，先去了解BlockingQueue再看本文）
Delayed扩展了Comparable接口，比较的基准为延时的时间值，Delayed接口的实现类getDelay的返回值应为固定值（final）。DelayQueue内部是使用 PriorityQueue实现的。

DelayQueue = BlockingQueue + PriorityQueue + Delayed

DelayQueue的关键元素 BlockingQueue、 PriorityQueue、 Delayed。可以这么说， DelayQueue是一个使用优先队列（ PriorityQueue ）实现的BlockingQueue， 优先队列的比较基准值是时间。

他们的基本定义如下

public   interface  Comparable < T >  {
     public   int  compareTo(T o);
}

public   interface  Delayed  extends  Comparable < Delayed >  {
     long  getDelay(TimeUnit unit);
}

public   class  DelayQueue < E  extends  Delayed >   implements  BlockingQueue < E >  { 
     private   final  PriorityQueue < E >  q  =   new  PriorityQueue < E > ();
}

DelayQueue内部的实现使用了一个优先队列。当调用DelayQueue的offer方法时，把Delayed对象加入到优先队列q中。如下：

public   boolean  offer(E e) {
     final  ReentrantLock lock  =   this .lock;
    lock.lock();
     try  {
        E first  =  q.peek();
        q.offer(e);
         if  (first  ==   null   ||  e.compareTo(first)  <   0 )
            available.signalAll();
         return   true ;
    }  finally  {
        lock.unlock();
    }
}

DelayQueue的take方法，把优先队列q的first拿出来（peek），如果没有达到延时阀值，则进行await处理。如下：

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(TimeUnit.NANOSECONDS);
                 if  (delay  >   0 ) {
                     long  tl  =  available.awaitNanos(delay);
                }  else  {
                    E x  =  q.poll();
                     assert  x  !=   null ;
                     if  (q.size()  !=   0 )
                        available.signalAll();  //  wake up other takers
                     return  x;

                }
            }
        }
    }  finally  {
        lock.unlock();
    }
}

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以下是Sample，是一个缓存的简单实现。共包括三个类Pair、DelayItem、Cache。如下：

public   class  Pair < K, V >  {
     public  K first;

     public  V second;
    
     public  Pair() {}
    
     public  Pair(K first, V second) {
         this .first  =  first;
         this .second  =  second;
    }
}

--------------
以下是Delayed的实现

import  java.util.concurrent.Delayed;
import  java.util.concurrent.TimeUnit;
import  java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

public   class  DelayItem < T >   implements  Delayed {
     /**  Base of nanosecond timings, to avoid wrapping  */
     private   static   final   long  NANO_ORIGIN  =  System.nanoTime();

     /**
     * Returns nanosecond time offset by origin
      */
     final   static   long  now() {
         return  System.nanoTime()  -  NANO_ORIGIN;
    }

     /**
     * Sequence number to break scheduling ties, and in turn to guarantee FIFO order among tied
     * entries.
      */
     private   static   final  AtomicLong sequencer  =   new  AtomicLong( 0 );

     /**  Sequence number to break ties FIFO  */
     private   final   long  sequenceNumber;

     /**  The time the task is enabled to execute in nanoTime units  */
     private   final   long  time;

     private   final  T item;

     public  DelayItem(T submit,  long  timeout) {
         this .time  =  now()  +  timeout;
         this .item  =  submit;
         this .sequenceNumber  =  sequencer.getAndIncrement();
    }

     public  T getItem() {
         return   this .item;
    }

     public   long  getDelay(TimeUnit unit) {
         long  d  =  unit.convert(time  -  now(), TimeUnit.NANOSECONDS);
         return  d;
    }

     public   int  compareTo(Delayed other) {
         if  (other  ==   this )  //  compare zero ONLY if same object
             return   0 ;
         if  (other  instanceof  DelayItem) {
            DelayItem x  =  (DelayItem) other;
             long  diff  =  time  -  x.time;
             if  (diff  <   0 )
                 return   - 1 ;
             else   if  (diff  >   0 )
                 return   1 ;
             else   if  (sequenceNumber  <  x.sequenceNumber)
                 return   - 1 ;
             else
                 return   1 ;
        }
         long  d  =  (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS)  -  other.getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));
         return  (d  ==   0 )  ?   0  : ((d  <   0 )  ?   - 1  :  1 );
    }
}

以下是Cache的实现，包括了put和get方法，还包括了可执行的main函数。

import  java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import  java.util.concurrent.ConcurrentMap;
import  java.util.concurrent.DelayQueue;
import  java.util.concurrent.TimeUnit;
import  java.util.logging.Level;
import  java.util.logging.Logger;

public   class  Cache < K, V >  {
     private   static   final  Logger LOG  =  Logger.getLogger(Cache. class .getName());

     private  ConcurrentMap < K, V >  cacheObjMap  =   new  ConcurrentHashMap < K, V > ();

     private  DelayQueue < DelayItem < Pair < K, V >>>  q  =   new  DelayQueue < DelayItem < Pair < K, V >>> ();

     private  Thread daemonThread;

     public  Cache() {

        Runnable daemonTask  =   new  Runnable() {
             public   void  run() {
                daemonCheck();
            }
        };

        daemonThread  =   new  Thread(daemonTask);
        daemonThread.setDaemon( true );
        daemonThread.setName( " Cache Daemon " );
        daemonThread.start();
    }

     private   void  daemonCheck() {

         if  (LOG.isLoggable(Level.INFO))
            LOG.info( " cache service started. " );

         for  (;;) {
             try  {
                DelayItem < Pair < K, V >>  delayItem  =  q.take();
                 if  (delayItem  !=   null ) {
                     //  超时对象处理
                    Pair < K, V >  pair  =  delayItem.getItem();
                    cacheObjMap.remove(pair.first, pair.second);  //  compare and remove
                }
            }  catch  (InterruptedException e) {
                 if  (LOG.isLoggable(Level.SEVERE))
                    LOG.log(Level.SEVERE, e.getMessage(), e);
                 break ;
            }
        }

         if  (LOG.isLoggable(Level.INFO))
            LOG.info( " cache service stopped. " );
    }

     //  添加缓存对象
     public   void  put(K key, V value,  long  time, TimeUnit unit) {
        V oldValue  =  cacheObjMap.put(key, value);
         if  (oldValue  !=   null )
            q.remove(key);

         long  nanoTime  =  TimeUnit.NANOSECONDS.convert(time, unit);
        q.put( new  DelayItem < Pair < K, V >> ( new  Pair < K, V > (key, value), nanoTime));
    }

     public  V get(K key) {
         return  cacheObjMap.get(key);
    }

     //  测试入口函数
     public   static   void  main(String[] args)  throws  Exception {
        Cache < Integer, String >  cache  =   new  Cache < Integer, String > ();
        cache.put( 1 ,  " aaaa " ,  3 , TimeUnit.SECONDS);

        Thread.sleep( 1000   *   2 );
        {
            String str  =  cache.get( 1 );
            System.out.println(str);
        }

        Thread.sleep( 1000   *   2 );
        {
            String str  =  cache.get( 1 );
            System.out.println(str);
        }
    }
}

运行Sample，main函数执行的结果是输出两行，第一行为aaa，第二行为null。