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分布式延时任务方案解析

前言

在开发中,往往会遇到一些关于延时任务的需求。例如

  • 生成订单30分钟未支付,则自动取消
  • 生成订单60秒后,给用户发短信

对上述的任务,我们给一个专业的名字来形容,那就是延时任务。那么这里就会产生一个问题,这个延时任务定时任务的区别究竟在哪里呢?一共有如下几点区别

  1. 定时任务有明确的触发时间,延时任务没有
  2. 定时任务有执行周期,而延时任务在某事件触发后一段时间内执行,没有执行周期
  3. 定时任务一般执行的是批处理操作是多个任务,而延时任务一般是单个任务

下面,我们以判断订单是否超时为例,进行方案分析

方案分析

(1)数据库轮询

思路

该方案通常是在小型项目中使用,即通过一个线程定时地去扫描数据库,通过订单时间来判断是否有超时的订单,然后进行update或delete等操作

实现

博主当年早期是用quartz来实现的(实习那会的事),简单介绍一下
maven项目引入一个依赖如下所示

<dependency>     <groupId>org.quartz-scheduler</groupId>     <artifactId>quartz</artifactId>     <version>2.2.2</version> </dependency>

调用Demo类MyJob如下所示

package com.rjzheng.delay1; import org.quartz.JobBuilder; import org.quartz.JobDetail; import org.quartz.Scheduler; import org.quartz.SchedulerException; import org.quartz.SchedulerFactory; import org.quartz.SimpleScheduleBuilder; import org.quartz.Trigger; import org.quartz.TriggerBuilder; import org.quartz.impl.StdSchedulerFactory; import org.quartz.Job; import org.quartz.JobExecutionContext; import org.quartz.JobExecutionException;  public class MyJob implements Job {     public void execute(JobExecutionContext context)             throws JobExecutionException {         System.out.println("要去数据库扫描啦。。。");     }      public static void main(String[] args) throws Exception {         // 创建任务         JobDetail jobDetail = JobBuilder.newJob(MyJob.class)                 .withIdentity("job1", "group1").build();         // 创建触发器 每3秒钟执行一次         Trigger trigger = TriggerBuilder                 .newTrigger()                 .withIdentity("trigger1", "group3")                 .withSchedule(                         SimpleScheduleBuilder.simpleSchedule()                                 .withIntervalInSeconds(3).repeatForever())                 .build();         Scheduler scheduler = new StdSchedulerFactory().getScheduler();         // 将任务及其触发器放入调度器         scheduler.scheduleJob(jobDetail, trigger);         // 调度器开始调度任务         scheduler.start();     } }

运行代码,可发现每隔3秒,输出如下

要去数据库扫描啦。。。

优缺点

优点:简单易行,支持集群操作
缺点:(1)对服务器内存消耗大
   (2)存在延迟,比如你每隔3分钟扫描一次,那最坏的延迟时间就是3分钟
   (3)假设你的订单有几千万条,每隔几分钟这样扫描一次,数据库损耗极大

(2)JDK的延迟队列

思路

该方案是利用JDK自带的DelayQueue来实现,这是一个无界阻塞队列,该队列只有在延迟期满的时候才能从中获取元素,放入DelayQueue中的对象,是必须实现Delayed接口的。
DelayedQueue实现工作流程如下图所示

阿里Java三面:分布式延时任务方案解析,万字长文一篇点通你

其中Poll():获取并移除队列的超时元素,没有则返回空;take():获取并移除队列的超时元素,如果没有则wait当前线程,直到有元素满足超时条件,返回结果。

实现

定义一个类OrderDelay实现Delayed,代码如下

package com.rjzheng.delay2;  import java.util.concurrent.Delayed; import java.util.concurrent.TimeUnit;  public class OrderDelay implements Delayed {      private String orderId;     private long timeout;      OrderDelay(String orderId, long timeout) {         this.orderId = orderId;         this.timeout = timeout + System.nanoTime();     }      public int compareTo(Delayed other) {         if (other == this)             return 0;         OrderDelay t = (OrderDelay) other;         long d = (getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS) - t                 .getDelay(TimeUnit.NANOSECONDS));         return (d == 0) ? 0 : ((d < 0) ? -1 : 1);     }      // 返回距离你自定义的超时时间还有多少     public long getDelay(TimeUnit unit) {         return unit.convert(timeout - System.nanoTime(), TimeUnit.NANOSECONDS);     }      void print() {         System.out.println(orderId+"编号的订单要删除啦。。。。");     } }

运行的测试Demo为,我们设定延迟时间为3秒

package com.rjzheng.delay2;  import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.concurrent.DelayQueue; import java.util.concurrent.TimeUnit;  public class DelayQueueDemo {      public static void main(String[] args) {               // TODO Auto-generated method stub               List<String> list = new ArrayList<String>();               list.add("00000001");               list.add("00000002");               list.add("00000003");               list.add("00000004");               list.add("00000005");               DelayQueue<OrderDelay> queue = new DelayQueue<OrderDelay>();               long start = System.currentTimeMillis();               for(int i = 0;i<5;i++){                   //延迟三秒取出                 queue.put(new OrderDelay(list.get(i),                           TimeUnit.NANOSECONDS.convert(3, TimeUnit.SECONDS)));                       try {                            queue.take().print();                            System.out.println("After " +                                     (System.currentTimeMillis()-start) + " MilliSeconds");                   } catch (InterruptedException e) {                       // TODO Auto-generated catch block                       e.printStackTrace();                   }               }           }    }

输出如下

00000001编号的订单要删除啦。。。。 After 3003 MilliSeconds 00000002编号的订单要删除啦。。。。 After 6006 MilliSeconds 00000003编号的订单要删除啦。。。。 After 9006 MilliSeconds 00000004编号的订单要删除啦。。。。 After 12008 MilliSeconds 00000005编号的订单要删除啦。。。。 After 15009 MilliSeconds

可以看到都是延迟3秒,订单被删除

优缺点

优点:效率高,任务触发时间延迟低。
缺点:(1)服务器重启后,数据全部消失,怕宕机
   (2)集群扩展相当麻烦
   (3)因为内存条件限制的原因,比如下单未付款的订单数太多,那么很容易就出现OOM异常
   (4)代码复杂度较高

(3)时间轮算法

思路

先上一张时间轮的图(这图到处都是啦)

阿里Java三面:分布式延时任务方案解析,万字长文一篇点通你

时间轮算法可以类比于时钟,如上图箭头(指针)按某一个方向按固定频率轮动,每一次跳动称为一个 tick。这样可以看出定时轮有个3个重要的属性参数,ticksPerWheel(一轮的tick数),tickDuration(一个tick的持续时间)以及 timeUnit(时间单位),例如当ticksPerWheel=60,tickDuration=1,timeUnit=秒,这就和现实中的始终的秒针走动完全类似了。

如果当前指针指在1上面,我有一个任务需要4秒以后执行,那么这个执行的线程回调或者消息将会被放在5上。那如果需要在20秒之后执行怎么办,由于这个环形结构槽数只到8,如果要20秒,指针需要多转2圈。位置是在2圈之后的5上面(20 % 8 + 1)

实现

我们可以用Netty的HashedWheelTimer来实现

给Pom加上下面的依赖。

<dependency>     <groupId>io.netty</groupId>     <artifactId>netty-all</artifactId>     <version>4.1.24.Final</version> </dependency>

测试代码HashedWheelTimerTest如下所示

package com.rjzheng.delay3;  import io.netty.util.HashedWheelTimer; import io.netty.util.Timeout; import io.netty.util.Timer; import io.netty.util.TimerTask;  import java.util.concurrent.TimeUnit;  public class HashedWheelTimerTest {     static class MyTimerTask implements TimerTask{         boolean flag;         public MyTimerTask(boolean flag){             this.flag = flag;         }         public void run(Timeout timeout) throws Exception {             // TODO Auto-generated method stub              System.out.println("要去数据库删除订单了。。。。");              this.flag =false;         }     }     public static void main(String[] argv) {         MyTimerTask timerTask = new MyTimerTask(true);         Timer timer = new HashedWheelTimer();         timer.newTimeout(timerTask, 5, TimeUnit.SECONDS);         int i = 1;         while(timerTask.flag){             try {                 Thread.sleep(1000);             } catch (InterruptedException e) {                 // TODO Auto-generated catch block                 e.printStackTrace();             }             System.out.println(i+"秒过去了");             i++;         }     } }

输出如下

1秒过去了 2秒过去了 3秒过去了 4秒过去了 5秒过去了 要去数据库删除订单了。。。。 6秒过去了

优缺点

优点:效率高,任务触发时间延迟时间比delayQueue低,代码复杂度比delayQueue低。
缺点:(1)服务器重启后,数据全部消失,怕宕机
   (2)集群扩展相当麻烦
   (3)因为内存条件限制的原因,比如下单未付款的订单数太多,那么很容易就出现OOM异常

(4)redis缓存

思路一

利用redis的zset,zset是一个有序集合,每一个元素(member)都关联了一个score,通过score排序来取集合中的值
zset常用命令
添加元素:ZADD key score member [[score member] [score member] ...]
按顺序查询元素:ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
查询元素score:ZSCORE key member
移除元素:ZREM key member [member ...]

测试如下

# 添加单个元素  redis> ZADD page_rank 10 google.com (integer) 1  # 添加多个元素  redis> ZADD page_rank 9 baidu.com 8 bing.com (integer) 2  redis> ZRANGE page_rank 0 -1 WITHSCORES 1) "bing.com" 2) "8" 3) "baidu.com" 4) "9" 5) "google.com" 6) "10"  # 查询元素的score值 redis> ZSCORE page_rank bing.com "8"  # 移除单个元素  redis> ZREM page_rank google.com (integer) 1  redis> ZRANGE page_rank 0 -1 WITHSCORES 1) "bing.com" 2) "8" 3) "baidu.com" 4) "9"

那么如何实现呢?我们将订单超时时间戳与订单号分别设置为score和member,系统扫描第一个元素判断是否超时,具体如下图所示

阿里Java三面:分布式延时任务方案解析,万字长文一篇点通你

实现一

package com.rjzheng.delay4;  import java.util.Calendar; import java.util.Set;  import redis.clients.jedis.Jedis; import redis.clients.jedis.JedisPool; import redis.clients.jedis.Tuple;  public class AppTest {     private static final String ADDR = "127.0.0.1";     private static final int PORT = 6379;     private static JedisPool jedisPool = new JedisPool(ADDR, PORT);      public static Jedis getJedis() {        return jedisPool.getResource();     }      //生产者,生成5个订单放进去     public void productionDelayMessage(){         for(int i=0;i<5;i++){             //延迟3秒             Calendar cal1 = Calendar.getInstance();             cal1.add(Calendar.SECOND, 3);             int second3later = (int) (cal1.getTimeInMillis() / 1000);             AppTest.getJedis().zadd("OrderId", second3later,"OID0000001"+i);             System.out.println(System.currentTimeMillis()+"ms:redis生成了一个订单任务:订单ID为"+"OID0000001"+i);         }     }      //消费者,取订单     public void consumerDelayMessage(){         Jedis jedis = AppTest.getJedis();         while(true){             Set<Tuple> items = jedis.zrangeWithScores("OrderId", 0, 1);             if(items == null || items.isEmpty()){                 System.out.println("当前没有等待的任务");                 try {                     Thread.sleep(500);                 } catch (InterruptedException e) {                     // TODO Auto-generated catch block                     e.printStackTrace();                 }                 continue;             }             int  score = (int) ((Tuple)items.toArray()[0]).getScore();             Calendar cal = Calendar.getInstance();             int nowSecond = (int) (cal.getTimeInMillis() / 1000);             if(nowSecond >= score){                 String orderId = ((Tuple)items.toArray()[0]).getElement();                 jedis.zrem("OrderId", orderId);                 System.out.println(System.currentTimeMillis() +"ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderId为"+orderId);             }         }     }      public static void main(String[] args) {         AppTest appTest =new AppTest();         appTest.productionDelayMessage();         appTest.consumerDelayMessage();     }  }

此时对应输出如下

1525086085261ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000010 1525086085263ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000011 1525086085266ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000012 1525086085268ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000013 1525086085270ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000014 1525086088000ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000010 1525086088001ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000011 1525086088002ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000012 1525086088003ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000013 1525086088004ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000014 当前没有等待的任务 当前没有等待的任务 当前没有等待的任务

可以看到,几乎都是3秒之后,消费订单。然而,这一版存在一个致命的硬伤,在高并发条件下,多消费者会取到同一个订单号,我们上测试代码ThreadTest

package com.rjzheng.delay4;   import java.util.concurrent.CountDownLatch;  public class ThreadTest {     private static final int threadNum = 10;     private static CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(threadNum);     static class DelayMessage implements Runnable{         public void run() {             try {                 cdl.await();             } catch (InterruptedException e) {                 // TODO Auto-generated catch block                 e.printStackTrace();             }             AppTest appTest =new AppTest();             appTest.consumerDelayMessage();         }     }     public static void main(String[] args) {         AppTest appTest =new AppTest();         appTest.productionDelayMessage();         for(int i=0;i<threadNum;i++){             new Thread(new DelayMessage()).start();             cdl.countDown();         }     } }

输出如下所示

1525087157727ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000010 1525087157734ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000011 1525087157738ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000012 1525087157747ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000013 1525087157753ms:redis生成了一个订单任务:订单IDOID00000014 1525087160009ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000010 1525087160011ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000010 1525087160012ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000010 1525087160022ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000011 1525087160023ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000011 1525087160029ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000011 1525087160038ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000012 1525087160045ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000012 1525087160048ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000012 1525087160053ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000013 1525087160064ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000013 1525087160065ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000014 1525087160069ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderIdOID00000014 当前没有等待的任务 当前没有等待的任务 当前没有等待的任务 当前没有等待的任务

显然,出现了多个线程消费同一个资源的情况。

解决方案

if(nowSecond >= score){     String orderId = ((Tuple)items.toArray()[0]).getElement();     jedis.zrem("OrderId", orderId);     System.out.println(System.currentTimeMillis()+"ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderId为"+orderId); }

修改为

if(nowSecond >= score){     String orderId = ((Tuple)items.toArray()[0]).getElement();     Long num = jedis.zrem("OrderId", orderId);     if( num != null && num>0){         System.out.println(System.currentTimeMillis()+"ms:redis消费了一个任务:消费的订单OrderId为"+orderId);     } }

在这种修改后,重新运行ThreadTest类,发现输出正常了

思路二

该方案使用redis的Keyspace Notifications,中文翻译就是键空间机制,就是利用该机制可以在key失效之后,提供一个回调,实际上是redis会给客户端发送一个消息。是需要redis版本2.8以上。

实现二

在redis.conf中,加入一条配置

notify-keyspace-events Ex

运行代码如下

package com.rjzheng.delay5;  import redis.clients.jedis.Jedis; import redis.clients.jedis.JedisPool; import redis.clients.jedis.JedisPubSub;  public class RedisTest {     private static final String ADDR = "127.0.0.1";     private static final int PORT = 6379;     private static JedisPool jedis = new JedisPool(ADDR, PORT);     private static RedisSub sub = new RedisSub();      public static void init() {         new Thread(new Runnable() {             public void run() {                 jedis.getResource().subscribe(sub, "__keyevent@0__:expired");             }         }).start();     }      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {         init();         for(int i =0;i<10;i++){             String orderId = "OID000000"+i;             jedis.getResource().setex(orderId, 3, orderId);             System.out.println(System.currentTimeMillis()+"ms:"+orderId+"订单生成");         }     }      static class RedisSub extends JedisPubSub {         @Override         public void onMessage(String channel, String message) {             System.out.println(System.currentTimeMillis()+"ms:"+message+"订单取消");         }     } }

输出如下

1525096202813ms:OID0000000订单生成 1525096202818ms:OID0000001订单生成 1525096202824ms:OID0000002订单生成 1525096202826ms:OID0000003订单生成 1525096202830ms:OID0000004订单生成 1525096202834ms:OID0000005订单生成 1525096202839ms:OID0000006订单生成 1525096205819ms:OID0000000订单取消 1525096205920ms:OID0000005订单取消 1525096205920ms:OID0000004订单取消 1525096205920ms:OID0000001订单取消 1525096205920ms:OID0000003订单取消 1525096205920ms:OID0000006订单取消 1525096205920ms:OID0000002订单取消

可以明显看到3秒过后,订单取消了

优缺点

优点:

  1. 由于使用Redis作为消息通道,消息都存储在Redis中。如果发送程序或者任务处理程序挂了,重启之后,还有重新处理数据的可能性。
  2. 做集群扩展相当方便
  3. 时间准确度高

缺点:

  1. 需要额外进行redis维护

(5)使用消息队列

我们可以采用rabbitMQ的延时队列。RabbitMQ具有以下两个特性,可以实现延迟队列

优缺点

优点: 高效,可以利用rabbitmq的分布式特性轻易地进行横向扩展,消息支持持久化增加了可靠性。
缺点:本身的易用度要依赖于rabbitMq的运维.因为要引用rabbitMq,所以复杂度和成本变高

解决Elasticsearch中文搜索只能搜索单个汉字
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