前言

一、延时队列实用场景

二、DelayQueue

DelayQueue的实现

使用延迟队列

DelayQueue实现延时任务的优缺点

三、RocketMQ

原理

四、Kafka

原理

实现

DelayMessage定义

消息发送代码

消费者代码

参考

前言

延时队列的内部是有序的，最重要的特性就体现在它的延时属性上，延时队列就是用来存放需要在指定时间点被处理的元素的队列。

队列是存储消息的载体，延时队列存储的对象是延时消息。所谓的延时消息，是指消息被发送以后，并不想让消费者立刻获取，而是等待特定的时间后，消费者才能获取这个消息进行消费。

一、延时队列实用场景

淘宝七天自动确认收货。在我们签收商品后，物流系统会在七天后延时发送一个消息给支付系统，通知支付系统将货款打给商家，这个过程持续七天，就是使用了消息中间件的延迟推送功能；

订单在三十分钟之内未支付则自动取消；

新创建的店铺，如果在十天内都没有上传过商品，则自动发送消息提醒；

用户注册成功后，如果三天内没有登陆则进行短信提醒；

用户发起退款，如果三天内没有得到处理则通知相关运营人员；

预定会议后，需要在预定的时间点前十分钟通知各个与会人员参加会议。

二、DelayQueue

public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E> {
}

DelayQueue是一个无界的BlockingQueue，是线程安全的（无界指的是队列的元素数量不存在上限，队列的容量会随着元素数量的增加而扩容，阻塞队列指的是当队列内元素数量为0的时候，试图从队列内获取元素的线程将被阻塞或者抛出异常）

以上是阻塞队列的特点，而延迟队列还拥有自己如下的特点：

DelayQueue中存入的必须是实现了Delayed接口的对象（Delayed定义了一个getDelay的方法，用来判断排序后的元素是否可以从Queue中取出，并且Delayed接口还继承了Comparable用于排序），插入Queue中的数据根据compareTo方法进行排序（DelayQueue的底层存储是一个PriorityQueue，PriorityQueue是一个可排序的Queue，其中的元素必须实现Comparable接口的compareTo方法），并通过getDelay方法返回的时间确定元素是否可以出队，只有小于等于0的元素（即延迟到期的元素）才能够被取出

延迟队列不接收null元素

DelayQueue的实现

public class UserDelayTask implements Delayed {

    @Getter
    private UserRegisterMessage message;

    private long delayTime;

    public UserDelayTask(UserRegisterMessage message, long delayTime) {
        this.message = message;
        // 延迟时间加当前时间
        this.delayTime = System.currentTimeMillis() + delayTime;
    }

    // 获取任务剩余时间
    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return unit.convert(delayTime - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        return Long.compare(delayTime, ((UserDelayTask) o).delayTime);
    }
}

定义延迟队列并交付容器管理

    /**
     * 延迟队列
     */
    @Bean("userDelayQueue")
    public DelayQueue<UserDelayTask> orderDelayQueue() {
        return new DelayQueue<UserDelayTask>();
    }

使用延迟队列

@Resource
private DelayQueue<UserDelayTask> orderDelayQueue;
 
UserDelayTask task = new UserDelayTask(message, 1000 * 60);
        orderDelayQueue.add(task);

开启线程处理延迟任务

 @Override
    public void afterPropertiesSet() throws Exception {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    UserDelayTask task = orderDelayQueue.take();
                    // 当队列为null的时候，poll()方法会直接返回null, 不会抛出异常，但是take()方法会一直等待，
                    // 因此会抛出一个InterruptedException类型的异常。(当阻塞方法收到中断请求的时候就会抛出InterruptedException异常)
                    UserRegisterMessage message = task.getMessage();
                    execute(message);

                    // 执行业务
                } catch (Exception ex) {
                    log.error("afterPropertiesSet", ex);
                }
            }
        }).start();
    }

DelayQueue实现延时任务的优缺点

使用DelayQueue实现延时任务非常简单，而且简便，全部都是标准的JDK代码实现，不用引入第三方依赖（不依赖redis实现、消息队列实现等），非常的轻量级。

它的缺点就是所有的操作都是基于应用内存的，一旦出现应用单点故障，可能会造成延时任务数据的丢失。如果订单并发量非常大，因为DelayQueue是无界的，订单量越大，队列内的对象就越多，可能造成OOM的风险。所以使用DelayQueue实现延时任务，只适用于任务量较小的情况。

三、RocketMQ

RocketMQ 和本身就有延迟队列的功能，但是开源版本只能支持固定延迟时间的消息，不支持任意时间精度的消息（这个好像只有阿里云版本的可以）。

他的默认时间间隔分为 18 个级别，基本上也能满足大部分场景的需要了。

默认延迟级别：1s、 5s、 10s、 30s、 1m、 2m、 3m、 4m、 5m、 6m、 7m、 8m、 9m、 10m、 20m、 30m、 1h、 2h。

使用起来也非常的简单，直接通过setDelayTimeLevel设置延迟级别即可。

setDelayTimeLevel(level)

原理

实现原理说起来比较简单，Broker 会根据不同的延迟级别创建出多个不同级别的队列，当我们发送延迟消息的时候，根据不同的延迟级别发送到不同的队列中，同时在 Broker 内部通过一个定时器去轮询这些队列（RocketMQ 会为每个延迟级别分别创建一个定时任务），如果消息达到发送时间，那么就直接把消息发送到指 topic 队列中。

RocketMQ 这种实现方式是放在服务端去做的，同时有个好处就是相同延迟时间的消息是可以保证有序性的。

谈到这里就顺便提一下关于消息消费重试的原理，这个本质上来说其实是一样的，对于消费失败需要重试的消息实际上都会被丢到延迟队列的 topic 里，到期后再转发到真正的 topic 中。

四、Kafka

对于 Kafka 来说，原生并不支持延迟队列的功能，需要我们手动去实现，这里我根据 RocketMQ 的设计提供一个实现思路。

这个设计，我们也不支持任意时间精度的延迟消息，只支持固定级别的延迟，因为对于大部分延迟消息的场景来说足够使用了。

只创建一个 topic，但是针对该 topic 创建 18 个 partition，每个 partition 对应不同的延迟级别，这样做和 RocketMQ 一样有个好处就是能达到相同延迟时间的消息达到有序性。

原理

首先创建一个单独针对延迟队列的 topic，同时创建 18 个 partition 针对不同的延迟级别
发送消息的时候根据消息延迟等级发送到延迟 topic 对应的 partition，同时把原 topic 保存到延迟消息中。

内嵌的consumer单独设置一个ConsumerGroup去消费延迟 topic 消息，消费到消息之后如果没有达到延迟时间那么就进行pause，然后seek到当前ConsumerRecord的offset位置，同时使用定时器去轮询延迟的TopicPartition，达到延迟时间之后进行resume。

KafkaConsumer 提供了暂停和恢复的API函数，调用消费者的暂停方法后就无法再拉取到新的消息，同时长时间不消费kafka也不会认为这个消费者已经挂掉了。

如果达到了延迟时间，那么就获取到延迟消息中的真实 topic ，直接转发

这里为什么要进行pause和resume呢？因为如果不这样的话，如果超时未消费达到max.poll.interval.ms 最大时间（默认300s），那么将会触发 Rebalance。

实现

DelayMessage定义

/**
 * 延迟消息
 *
 * @author yangyanping
 * @date 2023-08-31
 */
@Getter
@Setter
@ToString
public class DelayMessage<T> implements DTO {
    /**
     * 消息级别，共18个，对应18个partition
     */
    private Integer level;

    /**
     * 业务类型，真实投递到的topic
     */
    private String topic;

    /**
     * 目标消息key
     */
    private String key;

    /**
     * 事件
     */
    private DomainEvent<T> event;
}

消息发送代码

public void publishAsync(DelayMessage delayMessage) {
        String topic = "delay_topic";

        try {
            Integer level = delayMessage.getLevel();
            Integer delayPartition = level - 1;
            String data = JSON.toJSONString(delayMessage);
            ProducerRecord<String, String> producerRecord = new ProducerRecord<>(topic, delayPartition, "", data);

            ListenableFuture<SendResult<String, String>> future = kafkaTemplate.send(producerRecord);
            future.addCallback(new ListenableFutureCallback<SendResult<String, String>>() {
                @Override
                public void onSuccess(SendResult<String, String> result) {
                    //发送成功后回调
                    log.info("{}-异步发送成功, result={}。", topic, result.getRecordMetadata().toString());
                }

                @Override
                public void onFailure(Throwable throwable) {
                    //发送失败回调
                    log.error("{}-异步发送失败。", topic, throwable);
                }
            });
        } catch (Exception ex) {
            log.error("{}-异步发送异常。", topic, ex);
        }
    }

消费者代码

/**
 * 参考RocketMQ支持延迟消息设计，不支持任意时间精度的延迟消息，只支持特定级别的延迟消息，
 * 将消息延迟等级分为1s、5s、10s 、30s、1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、20m、30m、1h、2h，共18个级别，
 * 只创建一个有18个分区的延时topic，每个分区对应不同延时等级。
 *
 * https://blog.csdn.net/weixin_40270946/article/details/121293032
 *
 * https://zhuanlan.zhihu.com/p/365802989
 *
 * @author yangyanping
 * @date 2023-08-30
 */
@Slf4j
@Component
public class DelayConsumer implements ConsumerSeekAware {

    /**
     * 锁
     */
    private final Object lock = new Object();

    /**
     * 间隔
     */
    private final int interval = 5000;

    /**
     * 消费者
     */
    @Resource(name = "kafkaConsumer")
    private KafkaConsumer<String, String> kafkaConsumer;

    /**
     * 延迟消息发布
     */
    @Resource
    private DelayMessagePublisher delayMessagePublisher;

    @PostConstruct
    public void init() {
        ScheduledExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
        //当系统需要循环间隔一定时间执行某项任务的时候可以使用scheduleWithFixedDelay方法来实现
        executorService.scheduleWithFixedDelay(() -> {
            synchronized (lock) {
                resume();
                lock.notifyAll();
                log.info("DelayConsumer-notifyAll");
            }
        }, 0, interval, TimeUnit.MILLISECONDS);

    }

    /**
     * 批量消费消息
     */
    @KafkaListener(topics = "#{'${delayTopic.topic}'}", groupId = "#{'${spring.kafka.consumer.group-id}'}")
    public void onMessage(List<ConsumerRecord<String, String>> records, Consumer consumer) {

        synchronized (lock) {
            try {
                if (CollectionUtil.isEmpty(records)) {
                    log.info("DelayConsumer-records is empty !");
                    consumer.commitSync();
                    return;
                }

                boolean delay = false;

                for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
                    long timestamp = record.timestamp();
                    String value = record.value();
                    JSONObject jsonObject = JSON.parseObject(value);
                    Integer level = Convert.toInt(jsonObject.get("level"));
                    String targetTopic = Convert.toStr(jsonObject.get("topic"));
                    String event = Convert.toStr(jsonObject.get("event"));

                    TopicPartition topicPartition = new TopicPartition(record.topic(), record.partition());
                    long delayTime = getDelayTime(timestamp, level);

                    if (delayTime <= System.currentTimeMillis()) {
                        log.info("DelayConsumer-delayTime={} <= currentTime={}", delayTime, System.currentTimeMillis());
                        // 处理消息
                        processMessage(record, consumer, topicPartition, targetTopic, event);
                    } else {
                        log.info("DelayConsumer-delayTime={} > currentTime={}", delayTime, System.currentTimeMillis());
                        // 暂停消费
                        consumer.pause(Collections.singletonList(topicPartition));
                        consumer.seek(topicPartition, record.offset());
                        delay = true;
                        break;
                    }
                }

                if (delay) {
                    lock.wait();
                }
            } catch (Exception var10) {
                log.error("{}.onMessage#error . message={}");
                throw new BizException("事件消息消费失败", var10);
            }
        }
    }

    /**
     * 消息级别，共18个
     * level-1 ：30s
     * level-2 : 1m
     * level-3 : 5m
     * level-4 : 10m
     * level-5 : 20m
     * level-6 : 30m
     */
    private Long getDelayTime(long timestamp, Integer level) {
        switch (level) {
            case 1:
                return timestamp + 1 * 1000;
            case 2:
                return timestamp + 5 * 1000;
            case 3:
                return timestamp + 10 * 1000;
            case 4:
                return timestamp + 30 * 1000;
            case 5:
                return timestamp + 1 * 60 * 1000;
            case 6:
                return timestamp + 2 * 60 * 1000;
            //.........  省略
        }

        return timestamp;
    }


    /**
     * 处理消息 并提交消息
     */
    private void processMessage(ConsumerRecord<String, String> record, Consumer consumer, TopicPartition topicPartition, String targetTopic, String event) {

        OffsetAndMetadata offsetAndMetadata = new OffsetAndMetadata(record.offset() + 1);
        HashMap<TopicPartition, OffsetAndMetadata> metadataHashMap = new HashMap<>();
        metadataHashMap.put(topicPartition, offsetAndMetadata);
        delayMessagePublisher.sendMessage(targetTopic, event);

        log.info("DelayConsumer-records#offset={},targetTopic={},event={}", record.offset() + 1, targetTopic, event);
        consumer.commitSync(metadataHashMap);
    }

    /**
     * 重启消费
     */
    private void resume() {
        try {
            kafkaConsumer.resume(kafkaConsumer.paused());
        } catch (Exception ex) {
            log.error("DelayConsumer-resume", ex);
        }
    }
}