JUC阻塞队列之DelayQueue源码分析

DelayQueue是一个支持延时获取元素的***阻塞队列。并且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。只有在延迟期满时才能从队列中获取到元素。DelayQueue的应用范围非常广阔，如可以用它来保存缓存中元素的有效期，也可用它来实现定时任务。

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Delayed接口

在分析DelayQueue源码之前，我们先来看看Delayd接口，其源码定义如下：

public interface Delayed extends Comparable < Delayed > {

    /**
     * 指定返回对象的延时时间
     * @param  unit [时间单位]
     * @return      [延时的剩余，0或者-1表示延时已经过期]
     */
    long getDelay(TimeUnit unit);
}

我们看到，Delayed接口继承了Comparable接口，即实现Delayed接口的对象必须实现getDelay(TimeUnit unit)方法和compareTo(T o)方法。这里compareTo(T o)方法可以用来实现元素的排序，可以将延时时间长的放到队列的末尾。

DelayQueue构造函数

上面分析了Delayed接口，接下来我们分析DelayQueue的构造函数。DelayQueue提供了2种构造函数，一个是无参构造函数，一个是给定集合为参数的构造函数。其源码如下：

/**
 * 构建一个空的DelayQueue
 */
public DelayQueue() {}

/**
 * 给定集合c为参数的构造函数
 * 将集合c中的元素全部放入到DelayQueue中
 */
public DelayQueue(Collection < ? extends E > c) {
    this.addAll(c);
}

addAll方法是AbstractQueue抽象类中的方法，其源码如下：

public boolean addAll(Collection < ? extends E > c) {
    // 参数检测
    if (c == null)
        throw new NullPointerException();
    if (c == this)
        throw new IllegalArgumentException();
    boolean modified = false;
    //遍历集合c中的元素
    for (E e: c)
        // 调用DelayQueue中的add方法
        if (add(e))
            modified = true;
    return modified;
}

从上面的源码中，我们可以看到，AbstractQueue抽象类中addAll方法实际是调用DelayQueue类中的add方法来实现的。

DelayQueue 入列操作

DelayQueue提供了4中入列操作，分别是：

• add(E e):阻塞的将制定元素添加到延时队列中去，因为队列是***的因此此方法永不阻塞。
• offer(E e):阻塞的将制定元素添加到延时队列中去，因为队列是***的因此此方法永不阻塞。
• put(E e):阻塞的将制定元素添加到延时队列中去，因为队列是***的因此此方法永不阻塞。
• offer(E e, long timeout, TimeUnit unit):阻塞的将制定元素添加到延时队列中去，因为队列是***的因此此方法永不阻塞。

这里大家可能会奇怪，为什么这些入列方法的解释都是一样的？这个问题先等下回答，我们先来看看这几个入列方法的源码定义：

public boolean add(E e) {
    return offer(e);
}

public boolean offer(E e) {
    //获取可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁
    lock.lock();
    try {
        //调用PriorityQueue中的offer方法
        q.offer(e);
        //调用PriorityQueue中的peek方法
        if (q.peek() == e) {
            leader = null;
            available.signal();
        }
        return true;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

public void put(E e) {
    offer(e);
}

public boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit) {
    return offer(e);
}

这里我们从源码中可以看到，add(E e)方法、put(E e)方法和offer(E e,long timeout,TimeUnit unit)方法都是调用offer(E e)方法来实现的，这也是为什么这几个方法的解释都是一样的原因。其中offer(E e)方法的核心又是调用了PriorityQueue中的offer(E e)方法，PriorityQueue和PriorityBlockingQueue都是以二叉堆的***队列，只不过PriorityQueue不是阻塞的而PriorityBlockingQueue是阻塞的。

DelayQueue出列操作

DelayQueue提供了3中出列操作方法，它们分别是：

• poll():检索并删除此队列的开头，如果此队列没有延迟延迟的元素，则返回null
• take():检索并除去此队列的头，如有必要，请等待直到该队列上具有过期延迟的元素可用。
• poll(long timeout, TimeUnit unit):检索并删除此队列的头，如有必要，请等待直到该队列上具有过期延迟的元素可用，或者或指定的等待时间到期。

下面我们来一个一个分析出列操作的原来。

poll():

poll操作的源码定义如下：

public E poll() {
   //获取可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁
    lock.lock();
    try {
       //获取队列中的第一个元素
        E first = q.peek();
        //若果元素为null,或者头元素还未过期，则返回false
        if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
            return null;
        else
           //调用PriorityQueue中的出列方法
            return q.poll();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

该方法与PriorityQueue的poll方法唯一的区别就是多了if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)这个条件判断，该条件是表示如果队列中没有元素或者队列中的元素未过期，则返回null。

take

take操作源码定义如下：

public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //加锁
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        //西循环
        for (;;) {
            //查看队列头元素
            E first = q.peek();
            //如果队列头元素为null,则表示队列中没有数据，线程进入等待队列
            if (first == null)
                available.await();
            else {
                // 获取first元素剩余的延时时间
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                //若果剩余延时时间<=0 表示元素已经过期，可以从队列中获取元素
                if (delay <= 0)
                    //直接返回头部元素
                    return q.poll();
                //若果剩余延时时间>0，表示元素还未过期，则将first置为null,防止内存溢出
                first = null; // don't retain ref while waiting
                //如果leader不为null，则直接进入等待队列中等待
                if (leader != null)
                    available.await();
                else {
                    //若果leader为null,则把当前线程赋值给leader，并超时等待delay纳秒
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        available.awaitNanos(delay);
                    } finally {
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && q.peek() != null)
            //唤醒线程
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

take操作比poll操作稍微要复杂些，但是逻辑还是相对比较简单。只是在获取元素的时候先检查元素的剩余延时时间，如果剩余延时时间<=0,则直接返回队列头元素。如果剩余延时时间>0，则判断leader是否为null，若果leader不为null，则表示已经有线程在等待获取队列的头部元素，因此直接进入等待队列中等待。若果leader为null，则表示这是第一个获取头部元素的线程，把当前线程赋值给leader，然后超时等待剩余延时时间。在take操作中需要注意的一点是fist=null，因为如果first不置为null的话会引起内存溢出的异常，这是因为在并发的时候，每个线程都会持有一份first，因此first不会被释放，若果线程数过多，就会导致内存溢出的异常。

poll(long timeout, TimeUnit unit)

超时等待获取队列元素的源码如下：

public E poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long nanos = unit.toNanos(timeout);
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (;;) {
            E first = q.peek();
            if (first == null) {
                if (nanos <= 0)
                    return null;
                else
                    nanos = available.awaitNanos(nanos);
            } else {
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)
                    return q.poll();
                if (nanos <= 0)
                    return null;
                first = null; // don't retain ref while waiting
                if (nanos < delay || leader != null)
                    nanos = available.awaitNanos(nanos);
                else {
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;
                    try {
                        long timeLeft = available.awaitNanos(delay);
                        nanos -= delay - timeLeft;
                    } finally {
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && q.peek() != null)
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

这个出列操作的逻辑和take出列操作的逻辑几乎一样，唯一不同的在于take是无时间限制等待，而改操作是超时等待。

总结

DelayQueue的入列和出列操作逻辑相对比较简单，就是在获取元素的时候，判断元素是否已经过期，若果过期就可以直接获取，没有过期的话poll操作是直接返回null，take操作是进入等待队列中等待。