Java架构学习交流 2020-02-04 15:59:18

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延迟队列的需求各位应该在日常开发的场景中经常碰到。比如：

用户登录之后5分钟给用户做分类推送；

用户多少天未登录给用户做召回推送；

定期检查用户当前退款账单是否被商家处理等等场景。

一般这种场景和定时任务还是有很大的区别，

1. 定时任务是你知道任务多久该跑一次或者什么时候只跑一次，这个时间是确定的。

2. 延迟队列是当某个事件发生的时候需要延迟多久触发配套事件，因子事件发生的时间不是固定的。

业界目前也有很多实现方案，单机版的方案就不说了，现在也没有哪个公司还是单机版的服务，今天我们一一探讨各种方案的大致实现。

1. Redis zset

这个方案比较常用，简单有效。利用 Redis 的 sorted set 结构，使用 timeStamp 作为 score，比如你的任务是要延迟5分钟，那么就在当前时间上加5分钟作为 score ，轮询任务每秒只轮询 score 大于当前时间的 key即可，如果任务支持有误差，那么当没有扫描到有效数据的时候可以休眠对应时间再继续轮询。

方案优劣：

优点：

简单实用，一针见血。

缺点：

1. 单个 zset 肯定支持不了太大的数据量，如果你有几百万的延迟任务需求，大哥我还是劝你换一个方案；
2. 定时器轮询方案可能会有异常终止的情况需要自己处理，同时消息处理失败的回滚方案，您也要自己处理。

所以，sorted set 的方案并不是一个成熟的方案，他只是一个快速可供落地的方案。

2. RabbitMQ队列

下面说一个可以落地的方案，这个方案也被大多数目前在架构中使用了 RabbitMQ 的项目组使用。不好的一点就是，捆绑 RabbitMQ，当你的架构方案是要用别的 MQ 替换 RabbitMQ 的时候，你就蛋疼了（我现在正在经历）。

RabbitMQ 有两个特性，一个是 Time-To-Live Extensions，另一个是 Dead Letter Exchanges。

• Time-To-Live ExtensionsRabbitMQ允许我们为消息或者队列设置TTL（time to live），也就是过期时间。TTL表明了一条消息可在队列中存活的最大时间，单位为毫秒。也就是说，当某条消息被设置了TTL或者当某条消息进入了设置了TTL的队列时，这条消息会在经过TTL秒后 “死亡”，成为Dead Letter。如果既配置了消息的TTL，又配置了队列的TTL，那么较小的那个值会被取用。
• Dead Letter Exchanges在 RabbitMQ 中，一共有三种消息的 “死亡” 形式：消息被拒绝。通过调用 basic.reject 或者 basic.nack 并且设置的 requeue 参数为 false；消息因为设置了TTL而过期；队列达到最大长度。

DLX同一般的 Exchange 没有区别，它能在任何的队列上被指定，实际上就是设置某个队列的属性。当队列中有 DLX 消息时，RabbitMQ就会自动的将 DLX 消息重新发布到设置的 Exchange 中去，进而被路由到另一个队列，publish 可以监听这个队列中消息做相应的处理。

由上简介大家可以看出，RabbitMQ本身是不支持延迟队列的，只是他的特性让勤劳的 中国脱发群体 急中生智（为了完成任务）弄出了这么一套可用的方案。

可用的方案就是：

1. 如果有事件需要延迟那么将该事件发送到MQ 队列中，为需要延迟的消息设置一个TTL；
2. TTL到期后就会自动进入设置好的DLX，然后由DLX转发到配置好的实际消费队列；
3. 消费这个队列的延迟消息，处理事件。

方案优劣：

优点：

大品牌组件，用的放心。如果面临大数据量需求可以很容易的横向扩展，同时消息支持持久化，有问题可回滚。

缺点：

1. 配置麻烦，额外增加一个死信交换机和一个死信队列的配置；
2. RabbitMQ 是一个消息中间件，TTL 和 DLX 只是他的一个特性，将延迟队列绑定在一个功能软件的某一个特性上，可能会有风险。不要杠，当你们组不用 RabbitMQ 的时候迁移很痛苦；
3. 消息队列具有先进先出的特点，如果第一个进入队列的消息 A 的延迟是10分钟，第二个进入队列的消息B 的延迟是5分钟，期望的是谁先到 TTL谁先出，但是事实是B已经到期了，而还要等到 A 的延迟10分钟结束A先出之后，B 才能出。所以在设计的时候需要考虑不同延迟的消息要放到不同的队列。

3. 基于 Netty#HashedWheelTimer类方法的实现

HashedWheelTimer 是 Netty 中 的一个基础工具类，主要用来高效处理大量定时任务，且任务对时间精度要求相对不高， 在Netty 中的应用场景就是连接超时或者任务处理超时，一般都是操作比较快速的任务，缺点是内存占用相对较高。

算法思想

HashedWheelTimer 主要还是一个 DelayQueue 和一个时间轮算法组合。

 

Hash Wheel Timer是一个环形结构，可以想象成时钟，分为很多格子，一个格子代表一段时间（越短Timer精度越高），并用一个List保存在该格子上到期的所有任务。同时一个指针随着时间流逝一格一格转动，并执行对应List中所有到期的任务。

以上图为例，假设一个格子是1s，则整个时间轮能表示的时间段16s。当前任务指向格子2，表明在第2s的时候有任务需要执行。任务列表中有两个任务，每个任务前面的数字表示圈数。2表示当走到第2圈的时候才会执行，那么整个任务的真正执行时间其实是在12s之后执行，即第二圈走到2的时候。每推进一格，对应的每一个 slot 中的round数都要减一。整体算法就是这么个逻辑。

时间轮设计要点：

• tick，一次时间推进，每次推进会检查/执行超时任务；
• tickDuration，时间轮推进的最小单元，每隔 tickDuration 会有一次 tick，它决定了时间轮的精确程度；
• bucket（ticksPerWheel），上图中的每一隔就是一个bucket，表示一个时间轮可以有多少个tick，它是存储任务的最小单元；
• 上层时间轮的 tickDuration 是下层时间轮的表示时间的最大范围，即：父 tickDuration = 子 tickDuration * 子 bucket 。

需要注意的是，这种方式任务是串行执行的。意味着你如果在时间轮中执行任务且任务耗时较长，将会出现调度超时或者任务堆积的情况。所以要将任务的执行异步化。

算法的要点：

1. 任务并不是直接放在格子中的，而是维护了一个双向链表，这种数据结构非常便于插入和移除；
2. 新添加的任务并不直接放入格子，而是先放入一个队列中，这是为了避免多线程插入任务的冲突。在每个tick运行任务之前由worker线程自动对任务进行归集和分类，插入到对应的槽位里面。

Netty 使用数组 + 双向链表的方式来组织时间轮，对于添加/取消操作仅做了记录，真正的操作实际发生在下一个tick。时间的推进是独立的线程在做，该线程同时也负责过期任务的执行等操作，可简单认为此步骤操作为O(n)，因为推进线程需要完全遍历timeouts、cancelledTimeouts与bucket链表，在遍历timeouts时，Netty为了避免任务过多，所以限制每次最多遍历10万个，也就是说，一个tick只能规划10万个任务，当任务量过大时，会存在超时任务执行时间延迟的现象。

方案优劣：

优点：

实现比较优雅。效率高。

缺点：

1. 无法实现HA和横向扩展，要么就使用多个时间轮。
2. 最重要的是，实现也比较复杂，开发者需要考虑所有可能的情况。

目前我了解到的延迟队列在生产环境下有如上三种实现方式，每一种都有人在使用。当然没有最好的只有最适合的，你觉得 redis 能满足需求，就按照最简单的来，你要是有充足的开发周期，你也可以实现时间轮展现实力。

需求千万种，变化就一种：给时间都能做。