多線程（二十一、阻塞隊列-DelayQueue）

DelayQueue簡介

DelayQueue中的所有元素必須實現Delayed接口，還必須實現還實現了Comparable接口。

1、DelayQueue是×××阻塞隊列
2、隊列中的元素必須實現Delayed接口，只有當該對象的getDalay方法返回的剩餘時間≤0時纔會出隊。
3、剩餘時間最小的元素就在堆頂，每次出隊其實就是刪除剩餘時間≤0的最小元素。

DelayQueue構造

基於PriorityQueue的堆實現隊列，保證最先失效的在堆頂。

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線程是首個嘗試出隊元素（隊列不爲空）但被阻塞的線程.
     * 該線程會限時等待（隊首元素的剩餘有效時間），用於喚醒其它等待線程
     * 這個很關鍵，當隊列爲空或者堆頂元素還沒達到出隊時間時，所有線程都會阻塞的，要保證有線程可以喚醒，而leader線程就是這個首先自己喚醒自己的線程，然後才能繼續喚醒其他線程。
     */
    private Thread leader = null;

    /**
     * 出隊線程條件隊列, 當有多個線程, 會在此條件隊列上等待.
     */
    private final Condition available = lock.newCondition();

}

leader字段很關鍵，DelayQueue每次只會出隊一個過期的元素，如果隊首元素沒有過期，就會阻塞出隊線程，讓線程在available這個條件隊列上無限等待。

爲了提升性能，DelayQueue並不會讓所有出隊線程都無限等待，而是用leader保存了第一個嘗試出隊的線程，該線程的等待時間是隊首元素的剩餘有效期。這樣，一旦leader線程自己喚醒（此時隊首元素也失效了），就可以出隊成功，然後喚醒一個其它在available條件隊列上等待的線程。之後，會重複上一步，新喚醒的線程可能取代成爲新的leader線程。

入隊-put

/**
 * 入隊一個指定元素e.
 * 由於是×××隊列, 所以該方法並不會阻塞線程.
 */
public void put(E e) {
    offer(e);
}

public boolean offer(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        q.offer(e);                  // 調用PriorityQueue的offer方法
                // 如果入隊元素在隊首, 則喚醒一個出隊線程
                // 當首次入隊元素時，需要喚醒一個出隊線程
                // 因爲此時可能已有出隊線程在空隊列上等待了
                //如果不喚醒，會導致出隊線程永遠無法執行。
        if (q.peek() == e) {    
            leader = null;
            available.signal();
        }
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

出隊-take

1.隊列爲空，直接阻塞出隊線程，在available條件隊列等待
2.隊列非空，還要看隊首元素的有效期，如果隊首元素過期了，那直接出隊就行了；如果隊首元素未過期，就要看leader是否爲空，如果不是，就無限等待，如果是，則自己成爲leader,限時等待。

/**
 * 隊首出隊元素.
 * 如果隊首元素（堆頂）未到期或隊列爲空, 則阻塞線程.
 */
public E take() throws InterruptedException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        for (; ; ) { //出隊是一個自旋操作
            E first = q.peek();     // 讀取隊首元素
            if (first == null)      // CASE1: 隊列爲空, 直接阻塞
                available.await();
            else {                  // CASE2: 隊列非空
                long delay = first.getDelay(NANOSECONDS);
                if (delay <= 0)       // CASE2.0: 隊首元素已過期，直接出隊
                    return q.poll();

                // 執行到此處說明隊列非空, 且隊首元素未過期
                first = null;
                if (leader != null)           // CASE2.1: 已存在leader線程
                    available.await();      // 無限期阻塞當前線程
                else {                            // CASE2.2: 不存在leader線程
                    Thread thisThread = Thread.currentThread();
                    leader = thisThread;    // 將當前線程置爲leader線程
                    try {
                        available.awaitNanos(delay);  // 阻塞當前線程（限時等待剩餘有效時間）
                    } finally {
                        if (leader == thisThread)
                            leader = null;
                    }
                }
            }
        }
    } finally {
        if (leader == null && q.peek() != null)  // 不存在leader線程，而且隊列不空, 則喚醒一個其它出隊線程，防止任務無法執行。
            available.signal();
        lock.unlock();
    }
}

總結

1、DelayQueue是阻塞隊列中非常有用的一種隊列，經常被用於緩存或定時任務等的設計。
2、ScheduledThreadPoolExecutor.DelayedWorkQueue就是一種延時阻塞隊列。