多线程（二十一、阻塞队列-DelayQueue）

DelayQueue简介

DelayQueue中的所有元素必须实现Delayed接口，还必须实现还实现了Comparable接口。

1、DelayQueue是×××阻塞队列
2、队列中的元素必须实现Delayed接口，只有当该对象的getDalay方法返回的剩余时间≤0时才会出队。
3、剩余时间最小的元素就在堆顶，每次出队其实就是删除剩余时间≤0的最小元素。

DelayQueue构造

基于PriorityQueue的堆实现队列，保证最先失效的在堆顶。

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>();

    /**
     * leader线程是首个尝试出队元素（队列不为空）但被阻塞的线程.
     * 该线程会限时等待（队首元素的剩余有效时间），用于唤醒其它等待线程
     * 这个很关键，当队列为空或者堆顶元素还没达到出队时间时，所有线程都会阻塞的，要保证有线程可以唤醒，而leader线程就是这个首先自己唤醒自己的线程，然后才能继续唤醒其他线程。
     */
    private Thread leader = null;

    /**
     * 出队线程条件队列, 当有多个线程, 会在此条件队列上等待.
     */
    private final Condition available = lock.newCondition();

}

leader字段很关键，DelayQueue每次只会出队一个过期的元素，如果队首元素没有过期，就会阻塞出队线程，让线程在available这个条件队列上无限等待。

为了提升性能，DelayQueue并不会让所有出队线程都无限等待，而是用leader保存了第一个尝试出队的线程，该线程的等待时间是队首元素的剩余有效期。这样，一旦leader线程自己唤醒（此时队首元素也失效了），就可以出队成功，然后唤醒一个其它在available条件队列上等待的线程。之后，会重复上一步，新唤醒的线程可能取代成为新的leader线程。

入队-put

/**
 * 入队一个指定元素e.
 * 由于是×××队列, 所以该方法并不会阻塞线程.
 */
public void put(E e) {
    offer(e);
}

public boolean offer(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        q.offer(e);                  // 调用PriorityQueue的offer方法
                // 如果入队元素在队首, 则唤醒一个出队线程
                // 当首次入队元素时，需要唤醒一个出队线程
                // 因为此时可能已有出队线程在空队列上等待了
                //如果不唤醒，会导致出队线程永远无法执行。
        if (q.peek() == e) {    
            leader = null;
            available.signal();
        }
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

出队-take

1.队列为空，直接阻塞出队线程，在available条件队列等待
2.队列非空，还要看队首元素的有效期，如果队首元素过期了，那直接出队就行了；如果队首元素未过期，就要看leader是否为空，如果不是，就无限等待，如果是，则自己成为leader,限时等待。

/**
 * 队首出队元素.
 * 如果队首元素（堆顶）未到期或队列为空, 则阻塞线程.
 */
public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (; ; ) { //出队是一个自旋操作
            E first = q.peek();     // 读取队首元素
            if (first == null)      // CASE1: 队列为空, 直接阻塞
                available.await();
            else {                  // CASE2: 队列非空
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)       // CASE2.0: 队首元素已过期，直接出队
                    return q.poll();

                // 执行到此处说明队列非空, 且队首元素未过期
                first = null;
                if (leader != null)           // CASE2.1: 已存在leader线程
                    available.await();      // 无限期阻塞当前线程
                else {                            // CASE2.2: 不存在leader线程
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;    // 将当前线程置为leader线程
                    try {
                        available.awaitNanos(delay);  // 阻塞当前线程（限时等待剩余有效时间）
                    } finally {
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && q.peek() != null)  // 不存在leader线程，而且队列不空, 则唤醒一个其它出队线程，防止任务无法执行。
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

总结

1、DelayQueue是阻塞队列中非常有用的一种队列，经常被用于缓存或定时任务等的设计。
2、ScheduledThreadPoolExecutor.DelayedWorkQueue就是一种延时阻塞队列。