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32｜时间轮：Kafka是如何实现定时任务的？
你好，我是微扰君。
今天我们来聊一聊日常开发中非常常见的技术需求：延时队列。
之前在学Kafka二分搜索的时候，我们已经学过了消息队列，它是一个用于传递消息的组件，大部分场景下，我们都希望消息尽快送达，并且消息之间要严格遵循先进先出的约束。但在有一些时候，我们也会希望消息不要立刻送达，而是在一段时间之后才会被接收方收到，也就是延后消息被处理的时间，像这样的场景就是“延时队列”。
常见业务场景
延时队列的应用非常多。我们回想一下有哪些业务场景，比如一个网上售卖电影票的平台，用户在买票的时候肯定要先选好位置，也就是说用户下单一张电影票有两个动作：选位置、付费。
我们不希望用户在付费的时候发现，自己选好的位置被别人买了，所以往往会在用户选定座位之后，就把这个位置锁定；但这个时候用户还没有付费，我们肯定不能让锁定一直持续下去，所以也会想要有一种定时机制，在用户超过一定时间没有付费时，在系统中自动取消这个订单，将对应的座位释放。
类似的场景还有许多，对应需要的定时周期跨度也很大。比如在云平台上如果用户资源过期，一般不会立刻清理所有数据，而会在超过一段时间之后再进行资源回收；再比如外卖平台上订单，如果快超过送餐时限了，就需要提醒外卖小哥加紧配送等等。
在这些业务场景下，一个好用的延时队列应该具备什么样的功能呢：我们只需要把任务和期望的执行时间存储到队列中，等到指定的时候，任务消息就会通过队列被发送给需要执行任务的主体，比如某个订单服务，让主体执行。
当然，我们也可以把队列直接实现在业务里，但是延时特性和具体业务无关，其实是一个完全通用的技术方案，所以一般会用通用的中间件来处理这样的问题。
Kafka就是一个非常好用的选择，作为一款高性能的消息队列，Kafka天然支持了延时消息的能力，可以帮助我们处理所有的延时场景下的问题。其实上一讲我们介绍的Redis中的ZSET，也是一种实现延时队列的常见手段。
不过在学习基于ZSET的实现之前，我们先从更简单的实现学起，边学边思考这些常见实现的场景和原理差异是什么。
JDK中的DelayedQueue
除了上面说的业务场景，在一些纯技术的领域，定时任务的需求也非常普遍，比如Linux下就支持了定时任务调度的功能。如果你熟悉Java，估计会想到JDK也默认支持了DelayedQueue的数据结构。
DelayedQueue，作为JDK原生支持的数据结构，能非常方便地帮助我们支持单机、数据规模不大的延时队列的场景。它的实现思路也是一种非常典型的延时队列实现思路，事实上也经常是面试官常考的八股文之一，值得我们好好掌握。
DelayedQueue实现延时队列的本质，是在内存中维护一个有序的数据结构，按任务应该被执行的时间来排序。对外提供了offer和take两个主要的接口，分别用于从队列中插入元素和请求元素。
- 在插入元素时，既然是所谓的延时队列，我们会插入一个带执行时间的任务，底层会对这些任务进行排序，保证队列最前的任务是最快到期的；
- 调用take接口后，会有一个线程检查头部元素，如果队列头的任务没有到期，我们就阻塞这个线程，直到任务到期，再唤醒这个线程；如果检查头部的时候任务已经到期，我们就会让这个消费进程真的从队列取出该元素，并执行。
为了提高效率，DelayedQueue底层还采用了一种leader-follower的线程模型，也非常常用，你可以理解成任务的执行会有多个线程进行，参考示意图，这样任务的具体执行和到期时间的检查就不会产生冲突，可以并行地进行。
分析清楚了设计思路，那DelayedQueue底层是如何对任务做有序排列的，用的是什么数据结构呢？你可以先猜想一下。
链表？数组？事实上，这里的有序排列并不会像你想的那样从头到尾维护一个线性的序列。我们之前也讲过，如果维护一个线性的序列，不管是链表还是数组，排序的时候都需要O(n*logn)的时间复杂度；而在这里我们所需要的其实只是判断整个队列中，最接近到期的那个任务的执行时间，是否已经被当前系统时间所超过。也就是说并不需要整个队列有序，只需要最值。
这不正是堆这个数据结构的长处嘛？所以DelayedQueue底层的存储结构正是堆。
由于整个数据结构都维护在内存上，也没有线性扩展性，空间上会受一定的制约，但从时间效率上来说，DelayedQueue还是一个非常不错的延时队列实现，特别适合在业务层面上直接解决一些规模不大、比较简单的延时队列场景。具体的代码可以直接在JDK中找到，感兴趣你可以自己研究。
学完DelayedQueue， 我们再来看Redis中的ZSET是如何实现延时队列的，对比理解。
Redis中的ZSET
底层基于跳表（上节课讲过），Redis的有序集合性能非常不错，而且Redis本身是一个稳定、性能良好且能支持大量数据的KV存储引擎，用来实现延时队列自然比基于DelayedQueue的本地实现适用场景更大。
借助ZSET来实现延时队列，本质思想和DelayedQueue是类似的，主要就是我们会用ZSET来维护按任务执行时间排列的数据结构。
在使用ZSET做延时队列的时候，一般会用任务ID作为key，任务详情作为value，任务执行时间作为score，这样所有的待执行任务，在ZSET中，就会按任务执行时间score有序排列。
在需要被调度的延时任务执行主体上，我们可以开启一个线程定时轮询 ZRANGEBYSCORE KEY -inf +inf limit 0 1 WITHSCORES 查询ZSET中最近可执行的任务：
- 如果发现任务时间戳仍然大于当前时间戳，说明没有任务过期，什么都不执行；
- 如果发现任务时间戳已经小于当前时间戳，说明任务已经可以执行，我们按照约定的协议执行就可以了。
当然，这里Redis里存储的任务详情其实就是个值，我们需要按照自己的场景序列化和反序列化。写成Java代码大概如下：
public void poll() {
while (true) {
Set<Tuple> set = jedis.zrangeWithScores(DELAY_QUEUE, 0, 0);
String value = ((Tuple) set.toArray()[0]).getElement();
int score = (int) ((Tuple) set.toArray()[0]).getScore();
Calendar cal = Calendar.getInstance();
int nowSecond = (int) (cal.getTimeInMillis() / 1000);
// 任务已经过期；可以执行
if (nowSecond >= score) {
jedis.zrem(DELAY_QUEUE, value);
// TODO：执行任务
}
// 队列为空
if (jedis.zcard(DELAY_QUEUE) <= 0) {
return;
}
Thread.sleep(1000);
}
}
不过在这种方案中我们需要主动轮询，这会带来一定的开销，也有一定的精度问题，毕竟最小的粒度就是轮训的时间间隔。
既然引入了精度的问题，那我们有没有什么更好的方式呢，尤其是在有大量超时任务的场景下，有什么办法可以进一步优化超时任务的调度呢？
时间轮
这就是时间轮算法的用武之地了。在Kafka、Netty、ZooKeeper等知名组件中都有用到时间轮算法，可以说是久经考验。
思路其实很简单，如果用排序来类比的话，刚才JDK中基于堆的实现当然就是堆排序，永远可以拿到最快要过期的任务；那为了维护有序性，我们是不是也可以用类似桶排序的思想呢？
这正是时间轮的本质。
- 把任务按时间分成不同的槽（bucket），每个槽位里放着任务的列表，通常采用一个双链表来实现；
- 把槽位加在一起，构成一个循环队列，底层用数组实现；
- 一个槽代表一个时间跨度，每个槽内队列中存储的任务就都是在这个跨度内应该被执行的任务。
这样整个时间轮看起来就像一个时钟。
我们还会有一个类似于秒针的指针，以槽位时间跨度为周期固定地转动，就像秒针一样，永远指向当前时间所应该对应的槽位，当然在这里精度不是秒，而是槽位的时间跨度。比如我们期待任务调度的精度是一分钟，在图中就可以让每个槽位代表的时间为60s，这样我们就可以很确定的在时间轮里表示600s也就是10分钟内的任务，每隔1分钟，就将当前的槽位指针+1，指向下一个槽位，并判断槽位中是否有任务需要执行。
槽位编号更小的任务，自然就会得到更先的执行，从而就实现了在某个精度下定时任务或者延时任务的需求。
这里的精度也可以调整，时间轮的整个时间周期除以刻度数量，就是我们最小的任务调度的精度，在不同的场景下，可以设计不同的时间轮刻度。比如以24小时、以秒，甚至毫秒为刻度都是可以的，当然精度越高，我们所需要的成本也就更高。
对比思考之前的实现，时间轮方案很大的提升就在于，我们大大减少了任务插入和取出时的锁竞争。相比于只维护一个堆，让所有的线程并发修改，在时间轮中，我们可以将锁的粒度减少到以刻度为单位，大大减少了锁冲突的可能性，取出任务时也只要从槽位中直接遍历，避免了从堆或者其他有序结构中取出元素和调整的开销。
当然这里还有个问题需要处理。比如在600s的时间轮中，我们不难发现601s的任务和9s的任务在同一个时间轮的槽位里，因为601s已经超过600s了，由于循环队列的特性，它会又一次被加入到第一个槽中。
不过这个问题也很好处理，只需要多判断一次当前时间和槽位中时间的关系就行，如果发现是601s或者更后期的任务，直接跳过即可。我们可以类比Hashmap冲突的情况，相信你很容易想明白其中的思想，无非就是遍历链表进行判断。
总结
今天我们一起学习了延时队列的底层实现方式和应用场景。
JDK中的DelayedQueue，以及借助Redis中ZSET的实现方式，两者总体思路比较相似，都是通过某种数据结构，来维护按任务执行时间排列的任务集合，然后定时或者轮询地去判断最接近过期的任务是否已经过期，选择执行或者继续等待。
当然单机的JDK可以更好地利用系统内置的定时机制，避免轮询的成本，不过也因为单机本身的限制，不能很好的扩展来支持海量的数据场景。
第三种实现方式，时间轮，是一个巧妙又高效的设计。牺牲了一定精度，但通过在内存中以循环队列的方式维护任务，降低了任务并行插入的锁竞争，也减少了取出任务的时间复杂度，特别适用于大量定时任务存在的场景，也因此成为Kafka实现延时队列的一种常用方式。
总体来说，这几种方式各有利弊，你可以好好体会一下其中的差异，结合自己的业务场景做一些选型的思考。
课后作业
今天的课后作业是时间轮的实现，整体思路不难，不考虑并发的场景下100行左右的代码就可以完成了，这也是面试官常考的题目之一，值得好好练习。
欢迎你在评论区留下你的代码作业，一起讨论。如果觉得这篇文章对你有帮助的话，也欢迎转发给你的朋友一起学习，我们下节课见~