分佈式之延時任務方案解析

時間  2019-11-06
標籤 分佈式 延時 任務 方案 解析 欄目 系統架構 简体版
原文   原文鏈接

引言

在開發中，每每會遇到一些關於延時任務的需求。例如java

  • 生成訂單30分鐘未支付，則自動取消
  • 生成訂單60秒後,給用戶發短信

對上述的任務，咱們給一個專業的名字來形容，那就是延時任務。那麼這裏就會產生一個問題，這個延時任務和定時任務的區別究竟在哪裏呢？一共有以下幾點區別redis

  1. 定時任務有明確的觸發時間，延時任務沒有
  2. 定時任務有執行週期，而延時任務在某事件觸發後一段時間內執行，沒有執行週期
  3. 定時任務通常執行的是批處理操做是多個任務，而延時任務通常是單個任務

下面，咱們以判斷訂單是否超時爲例，進行方案分析算法

方案分析

(1)數據庫輪詢

思路

該方案一般是在小型項目中使用，即經過一個線程定時的去掃描數據庫，經過訂單時間來判斷是否有超時的訂單，而後進行update或delete等操做數據庫

實現

博主當年早期是用quartz來實現的(實習那會的事)，簡單介紹一下 maven項目引入一個依賴以下所示緩存

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

調用Demo類MyJob以下所示bash

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("要去數據庫掃描啦。。。");
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 建立任務
        JobDetail jobDetail = JobBuilder.newJob(MyJob.class)
                .withIdentity("job1", "group1").build();
        // 建立觸發器 每3秒鐘執行一次
        Trigger trigger = TriggerBuilder
                .newTrigger()
                .withIdentity("trigger1", "group3")
                .withSchedule(
                        SimpleScheduleBuilder.simpleSchedule()
                                .withIntervalInSeconds(3).repeatForever())
                .build();
        Scheduler scheduler = new StdSchedulerFactory().getScheduler();
        // 將任務及其觸發器放入調度器
        scheduler.scheduleJob(jobDetail, trigger);
        // 調度器開始調度任務
        scheduler.start();
    }
}
複製代碼

運行代碼，可發現每隔3秒，輸出以下服務器

要去數據庫掃描啦。。。
複製代碼

優缺點

優勢:簡單易行，支持集羣操做併發

缺點:app

(1)對服務器內存消耗大運維

(2)存在延遲，好比你每隔3分鐘掃描一次，那最壞的延遲時間就是3分鐘

(3)假設你的訂單有幾千萬條，每隔幾分鐘這樣掃描一次，數據庫損耗極大

(2)JDK的延遲隊列

思路

該方案是利用JDK自帶的DelayQueue來實現，這是一個無界阻塞隊列，該隊列只有在延遲期滿的時候才能從中獲取元素，放入DelayQueue中的對象，是必須實現Delayed接口的。 DelayedQueue實現工做流程以下圖所示

其中Poll():獲取並移除隊列的超時元素，沒有則返回空

take():獲取並移除隊列的超時元素，若是沒有則wait當前線程，直到有元素知足超時條件，返回結果。

實現

定義一個類OrderDelay實現Delayed，代碼以下

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);
    }

    // 返回距離你自定義的超時時間還有多少
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        return unit.convert(timeout - System.nanoTime(), TimeUnit.NANOSECONDS);
    }

    void print() {
        System.out.println(orderId+"編號的訂單要刪除啦。。。。");
    }
}
複製代碼

運行的測試Demo爲，咱們設定延遲時間爲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++){  
                //延遲三秒取出
                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();  
                }  
            }  
        }  

}
複製代碼

輸出以下

00000001編號的訂單要刪除啦。。。。
After 3003 MilliSeconds
00000002編號的訂單要刪除啦。。。。
After 6006 MilliSeconds
00000003編號的訂單要刪除啦。。。。
After 9006 MilliSeconds
00000004編號的訂單要刪除啦。。。。
After 12008 MilliSeconds
00000005編號的訂單要刪除啦。。。。
After 15009 MilliSeconds
複製代碼

能夠看到都是延遲3秒，訂單被刪除

優缺點

優勢:效率高,任務觸發時間延遲低。 缺點:(1)服務器重啓後，數據所有消失，怕宕機    (2)集羣擴展至關麻煩    (3)由於內存條件限制的緣由，好比下單未付款的訂單數太多，那麼很容易就出現OOM異常    (4)代碼複雜度較高

(3)時間輪算法

思路

先上一張時間輪的圖(這圖處處都是啦)

時間輪算法能夠類比於時鍾，如上圖箭頭（指針）按某一個方向按固定頻率輪動，每一次跳動稱爲一個 tick。這樣能夠看出定時輪由個3個重要的屬性參數，ticksPerWheel（一輪的tick數），tickDuration（一個tick的持續時間）以及 timeUnit（時間單位），例如當ticksPerWheel=60，tickDuration=1，timeUnit=秒，這就和現實中的始終的秒針走動徹底相似了。

若是當前指針指在1上面，我有一個任務須要4秒之後執行，那麼這個執行的線程回調或者消息將會被放在5上。那若是須要在20秒以後執行怎麼辦，因爲這個環形結構槽數只到8，若是要20秒，指針須要多轉2圈。位置是在2圈以後的5上面（20 % 8 + 1）

實現

咱們用Netty的HashedWheelTimer來實現 給Pom加上下面的依賴

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

測試代碼HashedWheelTimerTest以下所示

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("要去數據庫刪除訂單了。。。。");
             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+"秒過去了");
            i++;
        }
    }
}
複製代碼

輸出以下

1秒過去了
2秒過去了
3秒過去了
4秒過去了
5秒過去了
要去數據庫刪除訂單了。。。。
6秒過去了
複製代碼

優缺點

優勢:效率高,任務觸發時間延遲時間比delayQueue低，代碼複雜度比delayQueue低。

缺點:

(1)服務器重啓後，數據所有消失，怕宕機

(2)集羣擴展至關麻煩

(3)由於內存條件限制的緣由，好比下單未付款的訂單數太多，那麼很容易就出現OOM異常

(4)redis緩存

思路一

利用redis的zset,zset是一個有序集合，每個元素(member)都關聯了一個score,經過score排序來取集合中的值 zset經常使用命令 添加元素:ZADD key score member [[score member] [score member] ...] 按順序查詢元素:ZRANGE key start stop [WITHSCORES] 查詢元素score:ZSCORE key member 移除元素:ZREM key member [member ...] 測試以下

# 添加單個元素

redis> ZADD page_rank 10 google.com
(integer) 1

# 添加多個元素

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"

# 查詢元素的score值
redis> ZSCORE page_rank bing.com
"8"

# 移除單個元素

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"
複製代碼

那麼如何實現呢？咱們將訂單超時時間戳與訂單號分別設置爲score和member,系統掃描第一個元素判斷是否超時，具體以下圖所示

實現一

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();
    }

    //生產者,生成5個訂單放進去
    public void productionDelayMessage(){
        for(int i=0;i<5;i++){
            //延遲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生成了一個訂單任務：訂單ID爲"+"OID0000001"+i);
        }
    }

    //消費者，取訂單
    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("當前沒有等待的任務");
                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消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲"+orderId);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        AppTest appTest =new AppTest();
        appTest.productionDelayMessage();
        appTest.consumerDelayMessage();
    }

}
複製代碼

此時對應輸出以下

1525086085261ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000010
1525086085263ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000011
1525086085266ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000012
1525086085268ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000013
1525086085270ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000014
1525086088000ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000010
1525086088001ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000011
1525086088002ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000012
1525086088003ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000013
1525086088004ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000014
當前沒有等待的任務
當前沒有等待的任務
當前沒有等待的任務
複製代碼

能夠看到，幾乎都是3秒以後，消費訂單。

然而，這一版存在一個致命的硬傷，在高併發條件下，多消費者會取到同一個訂單號，咱們上測試代碼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();
        }
    }
}

複製代碼

輸出以下所示

1525087157727ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000010
1525087157734ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000011
1525087157738ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000012
1525087157747ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000013
1525087157753ms:redis生成了一個訂單任務：訂單ID爲OID00000014
1525087160009ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000010
1525087160011ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000010
1525087160012ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000010
1525087160022ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000011
1525087160023ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000011
1525087160029ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000011
1525087160038ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000012
1525087160045ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000012
1525087160048ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000012
1525087160053ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000013
1525087160064ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000013
1525087160065ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000014
1525087160069ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲OID00000014
當前沒有等待的任務
當前沒有等待的任務
當前沒有等待的任務
當前沒有等待的任務
複製代碼

顯然，出現了多個線程消費同一個資源的狀況。

解決方案

(1)用分佈式鎖，可是用分佈式鎖，性能降低了，該方案不細說。 (2)對ZREM的返回值進行判斷，只有大於0的時候，才消費數據，因而將consumerDelayMessage()方法裏的

if(nowSecond >= score){
    String orderId = ((Tuple)items.toArray()[0]).getElement();
    jedis.zrem("OrderId", orderId);
    System.out.println(System.currentTimeMillis()+"ms:redis消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲"+orderId);
}
複製代碼

修改成

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消費了一個任務：消費的訂單OrderId爲"+orderId);
    }
}
複製代碼

在這種修改後，從新運行ThreadTest類，發現輸出正常了

思路二

該方案使用redis的Keyspace Notifications，中文翻譯就是鍵空間機制，就是利用該機制能夠在key失效以後，提供一個回調，其實是redis會給客戶端發送一個消息。是須要redis版本2.8以上。

實現二

在redis.conf中，加入一條配置

notify-keyspace-events Ex
複製代碼

運行代碼以下

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+"訂單生成");
        }
    }

    static class RedisSub extends JedisPubSub {
        @Override
        public void onMessage(String channel, String message) {
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"ms:"+message+"訂單取消");
        }
    }
}
複製代碼

輸出以下

1525096202813ms:OID0000000訂單生成
1525096202818ms:OID0000001訂單生成
1525096202824ms:OID0000002訂單生成
1525096202826ms:OID0000003訂單生成
1525096202830ms:OID0000004訂單生成
1525096202834ms:OID0000005訂單生成
1525096202839ms:OID0000006訂單生成
1525096205819ms:OID0000000訂單取消
1525096205920ms:OID0000005訂單取消
1525096205920ms:OID0000004訂單取消
1525096205920ms:OID0000001訂單取消
1525096205920ms:OID0000003訂單取消
1525096205920ms:OID0000006訂單取消
1525096205920ms:OID0000002訂單取消
複製代碼

能夠明顯看到3秒事後，訂單取消了 ps:redis的pub/sub機制存在一個硬傷，官網內容以下

原:Because Redis Pub/Sub is fire and forget currently there is no way to use this feature if your application demands reliable notification of events, that is, if your Pub/Sub client disconnects, and reconnects later, all the events delivered during the time the client was disconnected are lost.

翻: Redis的發佈/訂閱目前是即發即棄(fire and forget)模式的，所以沒法實現事件的可靠通知。也就是說，若是發佈/訂閱的客戶端斷鏈以後又重連，則在客戶端斷鏈期間的全部事件都丟失了。 所以，方案二不是太推薦。固然，若是你對可靠性要求不高，可使用。

優缺點

優勢:

(1)因爲使用Redis做爲消息通道，消息都存儲在Redis中。若是發送程序或者任務處理程序掛了，重啓以後，還有從新處理數據的可能性。

(2)作集羣擴展至關方便

(3)時間準確度高

缺點:須要額外進行redis維護

(5)使用消息隊列

咱們能夠採用rabbitMQ的延時隊列。RabbitMQ具備如下兩個特性，能夠實現延遲隊列

  • RabbitMQ能夠針對Queue和Message設置 x-message-tt，來控制消息的生存時間，若是超時，則消息變爲dead letter
  • lRabbitMQ的Queue能夠配置x-dead-letter-exchange 和x-dead-letter-routing-key（可選）兩個參數，用來控制隊列內出現了deadletter，則按照這兩個參數從新路由。 結合以上兩個特性，就能夠模擬出延遲消息的功能,具體的，我改天再寫一篇文章，這裏再講下去，篇幅太長。

優缺點

優勢: 高效,能夠利用rabbitmq的分佈式特性輕易的進行橫向擴展,消息支持持久化增長了可靠性。

缺點：自己的易用度要依賴於rabbitMq的運維.由於要引用rabbitMq,因此複雜度和成本變高

相關文章
相關標籤/搜索
每日一句
    每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
本站公眾號
   歡迎關注本站公眾號,獲取更多信息
聯繫我們 最近搜索 最新文章 沪ICP备13005482号-10 MyBatis教程 SQL 教程 MySQL教程 Java 教程 Thymeleaf 教程 Hibernate教程 Spring教程 Redis教程