Java DelayQueue：實現延遲任務的線程安全隊列

一、DelayQueue的概述

Java的DelayQueue 是一個阻塞隊列隊列，主要用來實現對延遲任務的調度，也就是在指定的時間之後才能夠取出任務來執行。該隊列中保存的元素都必須實現了Delayed介面。

在實際應用中，DelayQueue被廣泛地使用於緩存系統中，例如緩存的對象需要在過期時間到達後才能進行刪除。通過使用DelayQueue隊列，不必在添加緩存對象時設置過期時間，只需要在緩存對象失效後將其放入DelayQueue中，等待其到期後再執行對其的刪除操作。

二、DelayQueue的基本使用

下面是一個基本使用的例子：

import java.util.concurrent.DelayQueue;
import java.util.concurrent.Delayed;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class DelayQueueExample {

    static class DelayedElement implements Delayed {
        private long delayTime;     // 存放延遲時間
        private String element;    // 存放實際的任務元素

        DelayedElement(long delay, String element) {
            this.delayTime = System.currentTimeMillis() + delay;
            this.element = element;
        }

        // 獲取剩餘時間
        @Override
        public long getDelay(TimeUnit unit) {
            return unit.convert(delayTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
        }

        // 按剩餘時間進行排序
        @Override
        public int compareTo(Delayed o) {
            return Long.compare(this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS), o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
        }

        // 執行任務
        public void exec() {
            System.out.println("執行任務：" + element);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DelayQueue queue = new DelayQueue();

        queue.add(new DelayedElement(2000, "任務1"));
        queue.add(new DelayedElement(5000, "任務2"));
        queue.add(new DelayedElement(3000, "任務3"));
        queue.add(new DelayedElement(4000, "任務4"));

        while (!queue.isEmpty()) {
            DelayedElement element = queue.take();
            element.exec();
        }
    }
}

在上述代碼中，我們創建了一個DelayQueue隊列，並向其中添加了四個基於Delayed介面的對象，設置它們的延遲時間分別為2秒、5秒、3秒和4秒。

接下來，我們使用while循環，不斷從隊列中取出任務，若隊列為空，則一直休眠直到隊列中有元素出現。當任務取出後，調用exec()方法執行任務。

三、DelayQueue的特性說明

1. 延遲任務排序

對於DelayQueue中保存的元素，隊列會按照剩餘延遲時間進行排序，以保證最先到期的任務最先被執行。當我們使用poll()、take()等方法從隊列中獲取元素時，都會取出剩餘時間最小的元素，如果延遲時間相同，則取出放入到隊列中時間最長的元素。

2. 線程安全性

DelayQueue為線程安全的隊列，可以被多個線程安全地操作。我們可以通過add()、offer()、put()、take()等方法對DelayQueue進行操作，這些方法都被設計為同步方法，具有互斥的特點。

3. DelayQueue其他方法

除了基本使用中的offer()、poll()、peek()、remove()、take()外，DelayQueue還提供了一些其他方法：

• drainTo()：從隊列中取出多個元素，並將它們放入給定集合中
• drainTo()：從隊列中取出所有元素，並將它們放入給定集合中
• remainingCapacity()：返回隊列剩餘容量

四、DelayQueue的使用實例：訂單超時取消

一個典型的使用場景是：我們在訂單系統中需要對訂單過期時間進行檢查，到了過期時間即可取消訂單。我們可以創建如下的訂單類：

public class Order implements Delayed {
    private String orderId;
    private long expireTime;

    public Order(String orderId, long expireTime) {
        this.orderId = orderId;
        this.expireTime = expireTime;
    }

    // 計算剩餘過期時間
    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return expireTime - System.currentTimeMillis();
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        return (int) (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
    }

    public String getOrderId() {
        return orderId;
    }

    public void setOrderId(String orderId) {
        this.orderId = orderId;
    }
}

在這個Order類中，我們需要實現Delayed介面，並覆蓋getDelay()方法，計算剩餘過期時間，以便進行排序。我們可以為它添加如下方法：

public class Order implements Delayed {
    // 省略getDelay方法和compareTo方法
 
    // 取消訂單
    public void cancel() {
        System.out.println("訂單[" + orderId + "]已自動取消！");
    }
}

接下來我們通過如下的代碼創建DelayQueue，向其中添加訂單並檢測過期時間：

public class OrderCheckTask implements Runnable {
    private DelayQueue queue;

    public OrderCheckTask(DelayQueue queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 檢測訂單過期並取消過期訂單
            while (true) {
                Order order = queue.take();
                order.cancel();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 訂單下單，加入隊列
    public boolean order(Order order) {
        return queue.add(order);
    }
}

public class AppMain {
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 創建DelayQueue隊列
        DelayQueue queue = new DelayQueue();
        // 啟動訂單檢測任務
        new Thread(new OrderCheckTask(queue)).start();

        // 添加訂單
        queue.add(new Order("A20191000", System.currentTimeMillis() + 5000));
        queue.add(new Order("A20191001", System.currentTimeMillis() + 4000));
        queue.add(new Order("A20191002", System.currentTimeMillis() + 6000));
        queue.add(new Order("A20191003", System.currentTimeMillis() + 3000));

        // 等待5秒後取消訂單
        Thread.sleep(5000);
        queue.add(new Order("A20191000", System.currentTimeMillis()));

        // 等待15秒輸出隊列大小
        Thread.sleep(15000);
        System.out.println("隊列大小：" + queue.size());
    }
}

在上述代碼中，我們首先創建了DelayQueue隊列和一個訂單檢測任務。在添加訂單時，我們指定延遲時間並加入DelayQueue隊列中。運行程序後，會等待5秒後，通過訂單ID刪除訂單，等待15秒後輸出DelayQueue隊列中還剩餘多少個元素。

五、DelayQueue的總結

DelayQueue主要是用來實現對延遲任務的調度，按剩餘時間排序，線程安全。我們在訂單過期檢測、緩存刪除等場景中都可以使用它。

DelayQueue的實現使用簡單，但需要我們實現Delayed介面中的getDelay()方法和compareTo()方法，並在不同的場景下調整它們的排序方式。使用好DelayQueue，將會大大提高程序處理效率。