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Redis實作延遲隊列的方法是什麼

WBOY轉載: 2023-05-30 11:29:252397瀏覽

1、前言

1.1、什麼是延遲佇列

延時佇列相比於普通佇列最大的差異就體現在其延時的屬性上，普通佇列的元素是先進先出，按入隊順序進行處理，而延時隊列中的元素在入隊時會指定一個延遲時間，表示其希望能夠在經過該指定時間後處理。延遲隊列的結構更像以時間為權重的有序堆結構，而不是傳統的隊列。

1.2、應用程式場景

在某些業務場景中，我們常常會遇到需要在特定時間節點到達或經過一段時間後才能執行的功能。就例如以下這些場景：

新建一個訂單，在規定時間內未支付需要自動取消外賣或者打車在預計時間到達的前十分鐘提醒騎手或者司機即將超時快遞收貨後在規定時間內使用者沒有確認收貨會自動確認收貨預定的會議在會議開始前十分鐘會去提醒你盡快加入會議每日週報在截止半小時前會提醒你盡快提交

1.3、為什麼要使用延遲佇列

對於一些資料量小且對資料的時效性不怎麼要求的專案來說，最簡單有效的方法就是寫一個定時任務去掃描資料庫以達到業務的實作。當資料量達到數百萬或千萬等級時，如果定期掃描資料庫，很容易遭受打擊。想信大家也有所了解，當數據達到這種地步的時候，還去定時掃表會非常低效，甚至對於那些定時間隔比較小的情景來說，這一遍還沒掃完下一遍就要開始了。這時候如果用延遲隊列的話或許會很有效。

實作延遲佇列的幾個途徑

Quartz 定時任務
##DelayQueue 延遲佇列
#Redis sorted set Redis
過期鍵監聽回調
RabbitMQ死信佇列
#RabbitMQ基於外掛程式實作延遲佇列
wheel時間輪演算法

2、Redis sorted set

#在Redis中，zet作為有序集合，可以利用其有序的特性，將任務加入zset中，將任務的到期時間作為score，利用zset的預設有序特性，取得score值最小的元素（也就是最近到期的任務），判斷系統時間與該任務的到期時間大小，如果達到到期時間，就執行業務，並刪除該到期任務，繼續判斷下一個元素，如果沒有到期，就sleep一段時間（例如1秒），如果集合為空，也sleep一段時間。

Redis實作延遲隊列的方法是什麼

透過zadd指令將三個order1、order2、order3，分別為10秒、20秒、30秒後過期。

zadd delayqueue 3 order3

消費端輪詢佇列delayqueue，將元素排序後取最小時間與目前時間比對，如小於目前時間代表已經過期移除key。

/**
 * 消费消息
 */
public void pollOrderQueue() {
    while (true) {
        Set<Tuple> set = jedis.zrangeWithScores(DELAY_QUEUE, 0, 0);
        String value = ((Tuple) set.toArray()[0]).getElement();
        int score = (int) ((Tuple) set.toArray()[0]).getScore();
        Calendar cal = Calendar.getInstance();
        int nowSecond = (int) (cal.getTimeInMillis() / 1000);
        if (nowSecond >= score) {
            jedis.zrem(DELAY_QUEUE, value);
            System.out.println(sdf.format(new Date()) + " removed key:" + value);
        }
        if (jedis.zcard(DELAY_QUEUE) <= 0) {
            System.out.println(sdf.format(new Date()) + " zset empty ");
            return;
        }
        Thread.sleep(1000);
    }
}

我們看到執行結果符合預期：

2020-05-07 13:24:09 add finished.
2020-05-07 13:24:19 removed key:order1
2020-05-07 13:24:29 removed key:order2
2020-05-07 13:24:39 removed key:order3
2020-05-07 13:24: 39 zset empty

3、Redis 過期鍵監聽回調

Redis的key過期回呼事件，也能達到延遲佇列的效果，簡單來說我們開啟監聽key是否過期的事件，一旦key過期會觸發一個callback事件。

要啟用notify-keyspace-events Ex，需要編輯redis.conf檔。 notify-keyspace-events Ex

Redis監聽配置，注入Bean RedisMessageListenerContainer。

其次，設定redis監聽器最後，編寫redis key過期監聽回呼方法

@Configuration
public class RedisListenerConfig {
@Bean
RedisMessageListenerContainer container(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
        RedisMessageListenerContainer container = new RedisMessageListenerContainer();
        container.setConnectionFactory(connectionFactory);
         return container;
    }
}

編寫Redis過期回呼監聽方法，必須繼承KeyExpirationEventMessageListener ，有點類似MQ的訊息監聽。

@Component
public class RedisKeyExpirationListener extends KeyExpirationEventMessageListener {
public RedisKeyExpirationListener(RedisMessageListenerContainer listenerContainer) {
    super(listenerContainer);
}
@Override
public void onMessage(Message message, byte[] pattern) {
      String expiredKey = message.toString();
      System.out.println("监听到key：" + expiredKey + "已过期");
    }
}

到這程式碼就寫完成，非常的簡單，接下來測試一下效果，在redis-cli客戶端加入一個key並給定3s的過期時間。

set xiaofu 123 ex 3

在控制台成功監聽到了這個過期的key。

監聽到過期的key為：xiaofu

4、Quartz定時任務

Quartz一款非常經典任務調度框架，在Redis、RabbitMQ還未廣泛應用時，超時未支付取消訂單功能都是由定時任務實現的。

導入Quartz依賴

<dependency>
   <groupId>org.springframework.boot</groupId>
   <artifactId>spring-boot-starter-quartz</artifactId>
</dependency>
>在启动类中使用@EnableScheduling注解开启定时任务功能。
```java
@SpringBootApplication
@EnableScheduling
public class DelayQueueApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DelayQueueApplication.class, args);
    }
}

編寫定時任務

@Slf4j
@Component
public class QuartzDemo {
    /**
     * 每隔五秒开启一次任务
     */
    @Scheduled(cron = "0/5 * * * * ? ")
    public void process(){
        log.info("--------------定时任务测试--------------");
    }
}

5、DelayQueue 延遲佇列

JDK中提供了一組實作延遲佇列的API，位於Java.util.concurrent包下DelayQueue。

DelayQueue是一个BlockingQueue（无界阻塞）队列，它本质就是封装了一个PriorityQueue（优先队列），PriorityQueue内部使用完全二叉堆（不知道的自行了解哈）来实现队列元素排序，我们在向DelayQueue队列中添加元素时，会给元素一个Delay（延迟时间）作为排序条件，队列中最小的元素会优先放在队首。队列中的元素只有到了Delay时间才允许从队列中取出。队列中可以放基本数据类型或自定义实体类，在存放基本数据类型时，优先队列中元素默认升序排列，自定义实体类就需要我们根据类属性值比较计算了。先简单实现一下看看效果，添加三个order入队DelayQueue，分别设置订单在当前时间的5秒、10秒、15秒后取消。

要实现DelayQueue延时队列，队中元素要implements Delayed 接口，这哥接口里只有一个getDelay方法，用于设置延期时间。在Order类中，compareTo方法的作用是对队列中的元素进行排列。

public class Order implements Delayed {
/**
 * 延迟时间
 */
@JsonFormat(locale = "zh", timezone = "GMT+8", pattern = "yyyy-MM-dd HH:mm:ss")
private long time;
String name;
public Order(String name, long time, TimeUnit unit) {
    this.name = name;
    this.time = System.currentTimeMillis() + (time > 0 ? unit.toMillis(time) : 0);
}
@Override
public long getDelay(TimeUnit unit) {
    return time - System.currentTimeMillis();
}
@Override
public int compareTo(Delayed o) {
    Order Order = (Order) o;
    long diff = this.time - Order.time;
    if (diff <= 0) {
        return -1;
    } else {
        return 1;
    }
}
}

DelayQueue的put方法是线程安全的，因为put方法内部使用了ReentrantLock锁进行线程同步。DelayQueue还提供了两种出队的方法poll()和take() ， poll()为非阻塞获取，没有到期的元素直接返回null；take()阻塞方式获取，没有到期的元素线程将会等待。

public class DelayQueueDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Order Order1 = new Order("Order1", 5, TimeUnit.SECONDS);
    Order Order2 = new Order("Order2", 10, TimeUnit.SECONDS);
    Order Order3 = new Order("Order3", 15, TimeUnit.SECONDS);
    DelayQueue<Order> delayQueue = new DelayQueue<>();
    delayQueue.put(Order1);
    delayQueue.put(Order2);
    delayQueue.put(Order3);
    System.out.println("订单延迟队列开始时间:" + LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
    while (delayQueue.size() != 0) {
        /**
         * 取队列头部元素是否过期
         */
        Order task = delayQueue.poll();
        if (task != null) {
            System.out.format("订单:{%s}被取消, 取消时间:{%s}\n", task.name,  
            LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
        }
        Thread.sleep(1000);
    }
}
}

上边只是简单的实现入队与出队的操作，实际开发中会有专门的线程，负责消息的入队与消费。

执行后看到结果如下，Order1、Order2、Order3 分别在 5秒、10秒、15秒后被执行，至此就用DelayQueue实现了延时队列。

订单延迟队列开始时间：2020-05-06 14:59:09

订单：{Order1}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:14}

订单：{Order2}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:19}

订单：{Order3}被取消, 取消时间:{2020-05-06 14:59:24}

6、RabbitMQ 延时队列

利用 RabbitMQ 做延时队列是比较常见的一种方式，而实际上RabbitMQ 自身并没有直接支持提供延迟队列功能，而是通过 RabbitMQ 消息队列的 TTL和 DXL这两个属性间接实现的。

先来认识一下 TTL和 DXL两个概念：

Time To Live(TTL) ：

TTL 顾名思义：指的是消息的存活时间，RabbitMQ可以通过x-message-tt参数来设置指定Queue（队列）和 Message（消息）上消息的存活时间，它的值是一个非负整数，单位为微秒。

RabbitMQ 可以从两种维度设置消息过期时间，分别是队列和消息本身

设置队列过期时间，那么队列中所有消息都具有相同的过期时间。可以在队列中为每条消息单独设置过期时间，即使每个消息的TTL不同也可以实现。若队列和队列中消息的TTL同时被设置，则TTL的值以两者中较小的那个为准。如果队列中的消息存储时间超过了预设的TTL过期时间，那么它就会变成Dead Letter（死信）。

Dead Letter Exchanges（DLX）

DLX即死信交换机，绑定在死信交换机上的即死信队列。RabbitMQ的 Queue（队列）可以配置两个参数x-dead-letter-exchange 和 x-dead-letter-routing-key（可选），一旦队列内出现了Dead Letter（死信），则按照这两个参数可以将消息重新路由到另一个Exchange（交换机），让消息重新被消费。

x-dead-letter-exchange：队列中出现Dead Letter后将Dead Letter重新路由转发到指定 exchange（交换机）。

x-dead-letter-routing-key：指定routing-key发送，一般为要指定转发的队列。

队列出现Dead Letter的情况有：

消息或者队列的TTL过期

队列达到最大长度

消息被消费端拒绝（basic.reject or basic.nack）

下边结合一张图看看如何实现超30分钟未支付关单功能，我们将订单消息A0001发送到延迟队列order.delay.queue，并设置x-message-tt消息存活时间为30分钟，当到达30分钟后订单消息A0001成为了Dead Letter（死信），延迟队列检测到有死信，通过配置x-dead-letter-exchange，将死信重新转发到能正常消费的关单队列，直接监听关单队列处理关单逻辑即可。

Redis實作延遲隊列的方法是什麼

发送消息时指定消息延迟的时间

public void send(String delayTimes) {
    amqpTemplate.convertAndSend("order.pay.exchange", "order.pay.queue","大家好我是延迟数据", message -> {
      // 设置延迟毫秒值
      message.getMessageProperties().setExpiration(String.valueOf(delayTimes));
      return message;
    });
  }
}

设置延迟队列出现死信后的转发规则

/**
   * 延时队列
   */
  @Bean(name = "order.delay.queue")
  public Queue getMessageQueue() {
    return QueueBuilder
        .durable(RabbitConstant.DEAD_LETTER_QUEUE)
        // 配置到期后转发的交换
        .withArgument("x-dead-letter-exchange", "order.close.exchange")
        // 配置到期后转发的路由键
        .withArgument("x-dead-letter-routing-key", "order.close.queue")
        .build();
  }

7、时间轮

前面几种实现延迟队列的方法相对简单，比较易于理解。相比之下，时间轮算法稍微有点抽象。kafka、netty都有基于时间轮算法实现延时队列，下边主要实践Netty的延时队列讲一下时间轮是什么原理。

先来看一张时间轮的原理图，解读一下时间轮的几个基本概念

Redis實作延遲隊列的方法是什麼

wheel ：时间轮，图中的圆盘可以看作是钟表的刻度。举个例子，如果一圈round的长度为24秒，共分成8个刻度，那么每个刻度代表3秒。那么时间精度就是 3秒。时间长度 / 刻度数值越大，精度越大。

当添加一个定时、延时任务A，假如会延迟25秒后才会执行，可时间轮一圈round 的长度才24秒，那么此时会根据时间轮长度和刻度得到一个圈数 round和对应的指针位置 index，也是就任务A会绕一圈指向0格子上，此时时间轮会记录该任务的round和 index信息。指针处于0格，当 round=0 且 index=0 时不会执行任务A，因为 round=0 不符合条件。

所以每一个格子代表的是一些时间，比如1秒和25秒都会指向0格子上，而任务则放在每个格子对应的链表中，这点和HashMap的数据有些类似。

Netty构建延时队列主要用HashedWheelTimer，HashedWheelTimer底层数据结构依然是使用DelayedQueue，只是采用时间轮的算法来实现。

下面我们用Netty 简单实现延时队列，HashedWheelTimer构造函数比较多，解释一下各参数的含义。

ThreadFactory ：表示用于生成工作线程，一般采用线程池；

tickDuration和unit：每格的时间间隔，默认100ms；

ticksPerWheel：一圈下来有几格，默认512，而如果传入数值的不是2的N次方，则会调整为大于等于该参数的一个2的N次方数值，有利于优化hash值的计算。

public HashedWheelTimer(ThreadFactory threadFactory, long tickDuration, TimeUnit unit, int ticksPerWheel) {
    this(threadFactory, tickDuration, unit, ticksPerWheel, true);
  }

TimerTask：一个定时任务的实现接口，其中run方法包装了定时任务的逻辑。

Timeout：一个定时任务提交到Timer之后返回的句柄，通过这个句柄外部可以取消这个定时任务，并对定时任务的状态进行一些基本的判断。 Timer：是HashedWheelTimer实现的父接口，仅定义了如何提交定时任务和如何停止整个定时机制。

public class NettyDelayQueue {
  public static void main(String[] args) {
    final Timer timer = new HashedWheelTimer(Executors.defaultThreadFactory(), 5, TimeUnit.SECONDS, 2);
    //定时任务
    TimerTask task1 = new TimerTask() {
      public void run(Timeout timeout) throws Exception {
        System.out.println("order1 5s 后执行 ");
        timer.newTimeout(this, 5, TimeUnit.SECONDS);//结束时候再次注册
      }
    };
    timer.newTimeout(task1, 5, TimeUnit.SECONDS);
    TimerTask task2 = new TimerTask() {
      public void run(Timeout timeout) throws Exception {
        System.out.println("order2 10s 后执行");
        timer.newTimeout(this, 10, TimeUnit.SECONDS);//结束时候再注册
      }
    };
    timer.newTimeout(task2, 10, TimeUnit.SECONDS);
    //延迟任务
    timer.newTimeout(new TimerTask() {
      public void run(Timeout timeout) throws Exception {
        System.out.println("order3 15s 后执行一次");
      }
    }, 15, TimeUnit.SECONDS);
  }
}

从执行的结果看，order3、order3延时任务只执行了一次，而order2、order1为定时任务，按照不同的周期重复执行。

order1 5s 后执行
order2 10s 后执行
order3 15s 后执行一次
order1 5s 后执行
order2 10s 后执行

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