Redis如何实现延迟队列？方法介绍

延迟队列，顾名思义它是一种带有延迟功能的消息队列。那么，是在什么场景下我才需要这样的队列呢？

1. 背景

我们先看看以下业务场景：

• 当订单一直处于未支付状态时，如何及时的关闭订单
• 如何定期检查处于退款状态的订单是否已经退款成功
• 在订单长时间没有收到下游系统的状态通知的时候，如何实现阶梯式的同步订单状态的策略
• 在系统通知上游系统支付成功终态时，上游系统返回通知失败，如何进行异步通知实行分频率发送:15s 3m 10m 30m 30m 1h 2h 6h 15h

1.1 解决方案

• 最简单的方式，定时扫表。例如对于订单支付失效要求比较高的，每2S扫表一次检查过期的订单进行主动关单操作。优点是简单，缺点是每分钟全局扫表，浪费资源，如果遇到表数据订单量即将过期的订单量很大，会造成关单延迟。

• 使用RabbitMq或者其他MQ改造实现延迟队列，优点是，开源，现成的稳定的实现方案，缺点是：MQ是一个消息中间件，如果团队技术栈本来就有MQ，那还好，如果不是，那为了延迟队列而去部署一套MQ成本有点大

• 使用Redis的zset、list的特性，我们可以利用redis来实现一个延迟队列RedisDelayQueue

2. 设计目标

• 实时性：允许存在一定时间的秒级误差
• 高可用性：支持单机、支持集群
• 支持消息删除：业务会随时删除指定消息
• 消息可靠性：保证至少被消费一次
• 消息持久化：基于Redis自身的持久化特性，如果Redis数据丢失，意味着延迟消息的丢失，不过可以做主备和集群保证。这个可以考虑后续优化将消息持久化到MangoDB中

3. 设计方案

设计主要包含以下几点：

• 将整个Redis当做消息池，以KV形式存储消息
• 使用ZSET做优先队列，按照Score维持优先级
• 使用LIST结构，以先进先出的方式消费
• ZSET和LIST存储消息地址(对应消息池的每个KEY)
• 自定义路由对象，存储ZSET和LIST名称，以点对点的方式将消息从ZSET路由到正确的LIST
• 使用定时器维护路由
• 根据TTL规则实现消息延迟

3.1 设计图

还是基于有赞的延迟队列设计，进行优化改造及代码实现。有赞设计

3.2 数据结构

• ZING:DELAY_QUEUE:JOB_POOL 是一个Hash_Table结构，里面存储了所有延迟队列的信息。KV结构：K=prefix+projectName  field = topic+jobId  V=CONENT;V由客户端传入的数据，消费的时候回传
• ZING:DELAY_QUEUE:BUCKET 延迟队列的有序集合ZSET，存放K=ID和需要的执行时间戳，根据时间戳排序
• ZING:DELAY_QUEUE:QUEUE LIST结构，每个Topic一个LIST，list存放的都是当前需要被消费的JOB

图片仅供参考，基本可以描述整个流程的执行过程，图片源于文末的参考博客中

3.3 任务的生命周期

1. 新增一个JOB，会在ZING:DELAY_QUEUE:JOB_POOL中插入一条数据，记录了业务方消费方。ZING:DELAY_QUEUE:BUCKET也会插入一条记录，记录执行的时间戳
2. 搬运线程会去ZING:DELAY_QUEUE:BUCKET中查找哪些执行时间戳的RunTimeMillis比现在的时间小，将这些记录全部删除；同时会解析出每个任务的Topic是什么，然后将这些任务PUSH到TOPIC对应的列表ZING:DELAY_QUEUE:QUEUE中
3. 每个TOPIC的LIST都会有一个监听线程去批量获取LIST中的待消费数据，获取到的数据全部扔给这个TOPIC的消费线程池
4. 消费线程池执行会去ZING:DELAY_QUEUE:JOB_POOL查找数据结构，返回给回调结构，执行回调方法。

3.4 设计要点

3.4.1 基本概念

• JOB：需要异步处理的任务，是延迟队列里的基本单元
• Topic：一组相同类型Job的集合（队列）。供消费者来订阅

3.4.2 消息结构

每个JOB必须包含以下几个属性

• jobId：Job的唯一标识。用来检索和删除指定的Job信息
• topic：Job类型。可以理解成具体的业务名称
• delay：Job需要延迟的时间。单位：秒。（服务端会将其转换为绝对时间）
• body：Job的内容，供消费者做具体的业务处理，以json格式存储
• retry：失败重试次数
• url：通知URL

3.5 设计细节

3.5.1 如何快速消费ZING:DELAY_QUEUE:QUEUE

最简单的实现方式就是使用定时器进行秒级扫描，为了保证消息执行的时效性，可以设置每1S请求Redis一次，判断队列中是否有待消费的JOB。但是这样会存在一个问题，如果queue中一直没有可消费的JOB，那频繁的扫描就失去了意义，也浪费了资源，幸好LIST中有一个BLPOP阻塞原语，如果list中有数据就会立马返回,如果没有数据就会一直阻塞在那里，直到有数据返回,可以设置阻塞的超时时间,超时会返回NULL;具体的实现方式及策略会在代码中进行具体的实现介绍

3.5.2 避免定时导致的消息重复搬运及消费

• 使用Redis的分布式锁来控制消息的搬运，从而避免消息被重复搬运导致的问题
• 使用分布式锁来保证定时器的执行频率

4. 核心代码实现

4.1 技术说明

技术栈：SpringBoot，Redisson，Redis，分布式锁，定时器

注意：本项目没有实现设计方案中的多Queue消费，只开启了一个QUEUE，这个待以后优化

4.2 核心实体

4.2.1 Job新增对象

/**
 * 消息结构
 *
 * @author 睁眼看世界
 * @date 2020年1月15日
 */
@Data
public class Job implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    /**
     * Job的唯一标识。用来检索和删除指定的Job信息
     */
    @NotBlank
    private String jobId;


    /**
     * Job类型。可以理解成具体的业务名称
     */
    @NotBlank
    private String topic;

    /**
     * Job需要延迟的时间。单位：秒。（服务端会将其转换为绝对时间）
     */
    private Long delay;

    /**
     * Job的内容，供消费者做具体的业务处理，以json格式存储
     */
    @NotBlank
    private String body;

    /**
     * 失败重试次数
     */
    private int retry = 0;

    /**
     * 通知URL
     */
    @NotBlank
    private String url;
}

4.2.2 Job删除对象

/**
 * 消息结构
 *
 * @author 睁眼看世界
 * @date 2020年1月15日
 */
@Data
public class JobDie implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    /**
     * Job的唯一标识。用来检索和删除指定的Job信息
     */
    @NotBlank
    private String jobId;


    /**
     * Job类型。可以理解成具体的业务名称
     */
    @NotBlank
    private String topic;
}

4.3 搬运线程

/**
 * 搬运线程
 *
 * @author 睁眼看世界
 * @date 2020年1月17日
 */
@Slf4j
@Component
public class CarryJobScheduled {

    @Autowired
    private RedissonClient redissonClient;

    /**
     * 启动定时开启搬运JOB信息
     */
    @Scheduled(cron = "*/1 * * * * *")
    public void carryJobToQueue() {
        System.out.println("carryJobToQueue --->");
        RLock lock = redissonClient.getLock(RedisQueueKey.CARRY_THREAD_LOCK);
        try {
            boolean lockFlag = lock.tryLock(LOCK_WAIT_TIME, LOCK_RELEASE_TIME, TimeUnit.SECONDS);
            if (!lockFlag) {
                throw new BusinessException(ErrorMessageEnum.ACQUIRE_LOCK_FAIL);
            }
            RScoredSortedSet<Object> bucketSet = redissonClient.getScoredSortedSet(RD_ZSET_BUCKET_PRE);
            long now = System.currentTimeMillis();
            Collection<Object> jobCollection = bucketSet.valueRange(0, false, now, true);
            List<String> jobList = jobCollection.stream().map(String::valueOf).collect(Collectors.toList());
            RList<String> readyQueue = redissonClient.getList(RD_LIST_TOPIC_PRE);
            readyQueue.addAll(jobList);
            bucketSet.removeAllAsync(jobList);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("carryJobToQueue error", e);
        } finally {
            if (lock != null) {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

4.4 消费线程

@Slf4j
@Component
public class ReadyQueueContext {

    @Autowired
    private RedissonClient redissonClient;

    @Autowired
    private ConsumerService consumerService;

    /**
     * TOPIC消费线程
     */
    @PostConstruct
    public void startTopicConsumer() {
        TaskManager.doTask(this::runTopicThreads, "开启TOPIC消费线程");
    }

    /**
     * 开启TOPIC消费线程
     * 将所有可能出现的异常全部catch住，确保While(true)能够不中断
     */
    @SuppressWarnings("InfiniteLoopStatement")
    private void runTopicThreads() {
        while (true) {
            RLock lock = null;
            try {
                lock = redissonClient.getLock(CONSUMER_TOPIC_LOCK);
            } catch (Exception e) {
                log.error("runTopicThreads getLock error", e);
            }
            try {
                if (lock == null) {
                    continue;
                }
                // 分布式锁时间比Blpop阻塞时间多1S，避免出现释放锁的时候，锁已经超时释放，unlock报错
                boolean lockFlag = lock.tryLock(LOCK_WAIT_TIME, LOCK_RELEASE_TIME, TimeUnit.SECONDS);
                if (!lockFlag) {
                    continue;
                }

                // 1. 获取ReadyQueue中待消费的数据
                RBlockingQueue<String> queue = redissonClient.getBlockingQueue(RD_LIST_TOPIC_PRE);
                String topicId = queue.poll(60, TimeUnit.SECONDS);
                if (StringUtils.isEmpty(topicId)) {
                    continue;
                }

                // 2. 获取job元信息内容
                RMap<String, Job> jobPoolMap = redissonClient.getMap(JOB_POOL_KEY);
                Job job = jobPoolMap.get(topicId);

                // 3. 消费
                FutureTask<Boolean> taskResult = TaskManager.doFutureTask(() -> consumerService.consumerMessage(job.getUrl(), job.getBody()), job.getTopic() + "-->消费JobId-->" + job.getJobId());
                if (taskResult.get()) {
                    // 3.1 消费成功，删除JobPool和DelayBucket的job信息
                    jobPoolMap.remove(topicId);
                } else {
                    int retrySum = job.getRetry() + 1;
                    // 3.2 消费失败，则根据策略重新加入Bucket

                    // 如果重试次数大于5，则将jobPool中的数据删除，持久化到DB
                    if (retrySum > RetryStrategyEnum.RETRY_FIVE.getRetry()) {
                        jobPoolMap.remove(topicId);
                        continue;
                    }
                    job.setRetry(retrySum);
                    long nextTime = job.getDelay() + RetryStrategyEnum.getDelayTime(job.getRetry()) * 1000;
                    log.info("next retryTime is [{}]", DateUtil.long2Str(nextTime));
                    RScoredSortedSet<Object> delayBucket = redissonClient.getScoredSortedSet(RedisQueueKey.RD_ZSET_BUCKET_PRE);
                    delayBucket.add(nextTime, topicId);
                    // 3.3 更新元信息失败次数
                    jobPoolMap.put(topicId, job);
                }
            } catch (Exception e) {
                log.error("runTopicThreads error", e);
            } finally {
                if (lock != null) {
                    try {
                        lock.unlock();
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("runTopicThreads unlock error", e);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

4.5 添加及删除JOB

/**
 * 提供给外部服务的操作接口
 *
 * @author why
 * @date 2020年1月15日
 */
@Slf4j
@Service
public class RedisDelayQueueServiceImpl implements RedisDelayQueueService {

    @Autowired
    private RedissonClient redissonClient;


    /**
     * 添加job元信息
     *
     * @param job 元信息
     */
    @Override
    public void addJob(Job job) {

        RLock lock = redissonClient.getLock(ADD_JOB_LOCK + job.getJobId());
        try {
            boolean lockFlag = lock.tryLock(LOCK_WAIT_TIME, LOCK_RELEASE_TIME, TimeUnit.SECONDS);
            if (!lockFlag) {
                throw new BusinessException(ErrorMessageEnum.ACQUIRE_LOCK_FAIL);
            }
            String topicId = RedisQueueKey.getTopicId(job.getTopic(), job.getJobId());

            // 1. 将job添加到 JobPool中
            RMap<String, Job> jobPool = redissonClient.getMap(RedisQueueKey.JOB_POOL_KEY);
            if (jobPool.get(topicId) != null) {
                throw new BusinessException(ErrorMessageEnum.JOB_ALREADY_EXIST);
            }

            jobPool.put(topicId, job);

            // 2. 将job添加到 DelayBucket中
            RScoredSortedSet<Object> delayBucket = redissonClient.getScoredSortedSet(RedisQueueKey.RD_ZSET_BUCKET_PRE);
            delayBucket.add(job.getDelay(), topicId);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("addJob error", e);
        } finally {
            if (lock != null) {
                lock.unlock();
            }
        }
    }


    /**
     * 删除job信息
     *
     * @param job 元信息
     */
    @Override
    public void deleteJob(JobDie jobDie) {

        RLock lock = redissonClient.getLock(DELETE_JOB_LOCK + jobDie.getJobId());
        try {
            boolean lockFlag = lock.tryLock(LOCK_WAIT_TIME, LOCK_RELEASE_TIME, TimeUnit.SECONDS);
            if (!lockFlag) {
                throw new BusinessException(ErrorMessageEnum.ACQUIRE_LOCK_FAIL);
            }
            String topicId = RedisQueueKey.getTopicId(jobDie.getTopic(), jobDie.getJobId());

            RMap<String, Job> jobPool = redissonClient.getMap(RedisQueueKey.JOB_POOL_KEY);
            jobPool.remove(topicId);

            RScoredSortedSet<Object> delayBucket = redissonClient.getScoredSortedSet(RedisQueueKey.RD_ZSET_BUCKET_PRE);
            delayBucket.remove(topicId);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("addJob error", e);
        } finally {
            if (lock != null) {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

5. 待优化的内容

1. 目前只有一个Queue队列存放消息，当需要消费的消息大量堆积后，会影响消息通知的时效。改进的办法是，开启多个Queue，进行消息路由，再开启多个消费线程进行消费，提供吞吐量
2. 消息没有进行持久化，存在风险，后续会将消息持久化到MangoDB中

6. 源码

更多详细源码请在下面地址中获取

• RedisDelayQueue实现 zing-delay-queue（https://gitee.com/whyCodeData/zing-project/tree/master/zing-delay-queue）
• RedissonStarter redisson-spring-boot-starter（https://gitee.com/whyCodeData/zing-project/tree/master/zing-starter/redisson-spring-boot-starter）
• 项目应用 zing-pay（https://gitee.com/whyCodeData/zing-pay）

7. 参考

• https://tech.youzan.com/queuing_delay/
• https://blog.csdn.net/u010634066/article/details/98864764

更多redis知识，请关注：redis入门教程栏目。

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