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一文详解golang延时任务的实现
来源:jb51  时间:2023/3/22 9:23:29  对本文有异议

前言

在实际业务场景中,我们有时候会碰到一些延时的需求:例如,在电商平台,运营在管理后台添加商品后,不需要立刻展示在前台,而是在之后某个时间点才展现。

当然,我们有很多种思路,可以应对这个问题。例如,将待发布商品信息添加到db,然后通过定时任务轮询数据表的方式,查询当前时间点的发布商品;又比如,将商品信息全部添加到redis中,通过SortSet属性完成这个功能。最终的选择,取决于我们的业务场景和运行环境。

在这里,我想给大家分享一套,基于golang实现的延时任务方案。

你可以收获

  • golang管道的灵活运用
  • golang timer的应用
  • golang切片元素插入排序的实现思路
  • golang延时任务的实现思路

正文

思维导图

为了让大家有一个大致的印象,我将正文的大纲列在下面。

实现思路

我们都知道,任何一种队列,实际上都是存在生产者和消费者两部分的。只不过,延时任务相对于普通队列,多了一个延时的特性罢了。

1、生产者

从生产者的角度上讲,当用户推送一个任务过来的时候,会携带着延迟执行的时间数值。为了让这个任务到预定时刻能执行,我们需要将这个任务放在内存里储存一段时间,并且时间是一维的,在不断增长。那么,我们用什么数据结构存储呢?

(1)选择一:map。由于map具有无序性,无法按照执行时间排序,我们无法保证取出的任务是否是当前时间点需要执行的,所以排除这个选项。

(2)选择二:channel。的确,channel有时候可以看作队列,然而,它的输出和输入严格遵循着“先进先出”的原则,遗憾的是,先进的任务未必就是先执行的,因此,channel也并不合适。

(3)选择三:slice。切片貌似可行,因为切片元素是具有有序性的,所以,如果我们能够按照执行时间的顺序排列好所有的切片元素,那么,每次只要读取切片的头元素(也可能是尾元素),就可以得到我们要的任务。

2、消费者

从消费者的角度来说,它最大的难点在于,如何让每个任务,在特定的时间点被消费。那么,针对每一个任务,我们如何实现,让它等待一段时间后再执行呢?

没错,就是timer。

总结下来,“切片+timer”的组合,应该是可以达到目的的。

步步为营

1、数据流

(1)用户调用InitDelayQueue() ,初始化延时任务对象。

(2)开启协程,监听任务操作管道(add/delete信号),以及执行时间管道(timer.C信号)。

(3)用户发出add/delete信号。

(4)(2)中的协程捕捉到(3)中的信号,对任务列表进行变更。

(5)当任务执行的时间点到达的时候(timer.C管道有元素输出的时候),执行任务。

2、数据结构

(1)延时任务对象

// 延时任务对象
type DelayQueue struct {
   tasks                 []*task             // 存储任务列表的切片
   add                   chan *task          // 用户添加任务的管道信号
   remove                chan string         // 用户删除任务的管道信号
   waitRemoveTaskMapping map[string]struct{} // 等待删除的任务id列表
}

这里需要注意,有一个waitRemoveTaskMapping字段。由于要删除的任务,可能还在add管道中,没有及时更新到tasks字段中,所以,需要临时记录下客户要删除的任务id。

(2)任务对象

// 任务对象
type task struct {
   id       string    // 任务id
   execTime time.Time // 执行时间
   f        func()    // 执行函数
}

3、初始化延时任务对象

// 初始化延时任务对象
func InitDelayQueue() *DelayQueue {
   q := &DelayQueue{
      add:                   make(chan *task, 10000),
      remove:                make(chan string, 100),
      waitRemoveTaskMapping: make(map[string]struct{}),
   }
   return q
}

在这个过程中,我们需要对用户对任务的操作信号,以及任务的执行时间信号进行监听。

func (q *DelayQueue) start() {
   for {
      // to do something...
      select {
      case now := <-timer.C:
         // 任务执行时间信号
         // to do something...
      case t := <-q.add:
         // 任务推送信号
         // to do something...
      case id := <-q.remove:
         // 任务删除信号
         // to do something...
      }
   }
}

完善我们的初始化方法:

// 初始化延时任务对象
func InitDelayQueue() *DelayQueue {
   q := &DelayQueue{
      add:                   make(chan *task, 10000),
      remove:                make(chan string, 100),
      waitRemoveTaskMapping: make(map[string]struct{}),
   }
   // 开启协程,监听任务相关信号
   go q.start()
   return q
}

4、生产者推送任务

生产者推送任务的时候,只需要将任务加到add管道中即可,在这里,我们生成一个任务id,并返回给用户。

// 用户推送任务
func (q *DelayQueue) Push(timeInterval time.Duration, f func()) string {
   // 生成一个任务id,方便删除使用
   id := genTaskId()
   t := &task{
      id:       id,
      execTime: time.Now().Add(timeInterval),
      f:        f,
   }
   // 将任务推到add管道中
   q.add <- t
   return id
}

5、任务推送信号的处理

在这里,我们要将用户推送的任务放到延时任务的tasks字段中。由于,我们需要将任务按照执行时间顺序排序,所以,我们需要找到新增任务在切片中的插入位置。又因为,插入之前的任务列表已经是有序的,所以,我们可以采用二分法处理。

// 使用二分法判断新增任务的插入位置
func (q *DelayQueue) getTaskInsertIndex(t *task, leftIndex, rightIndex int) (index int) {
   if len(q.tasks) == 0 {
      return
   }
   length := rightIndex - leftIndex
   if q.tasks[leftIndex].execTime.Sub(t.execTime) >= 0 {
      // 如果当前切片中最小的元素都超过了插入的优先级,则插入位置应该是最左边
      return leftIndex
   }
   if q.tasks[rightIndex].execTime.Sub(t.execTime) <= 0 {
      // 如果当前切片中最大的元素都没超过插入的优先级,则插入位置应该是最右边
      return rightIndex + 1
   }
   if length == 1 && q.tasks[leftIndex].execTime.Before(t.execTime) && q.tasks[rightIndex].execTime.Sub(t.execTime) >= 0 {
      // 如果插入的优先级刚好在仅有的两个优先级之间,则中间的位置就是插入位置
      return leftIndex + 1
   }
   middleVal := q.tasks[leftIndex+length/2].execTime
   // 这里用二分法递归的方式,一直寻找正确的插入位置
   if t.execTime.Sub(middleVal) <= 0 {
      return q.getTaskInsertIndex(t, leftIndex, leftIndex+length/2)
   } else {
      return q.getTaskInsertIndex(t, leftIndex+length/2, rightIndex)
   }
}

找到正确的插入位置后,我们才能将任务准确插入:

// 将任务添加到任务切片列表中
func (q *DelayQueue) addTask(t *task) {
   // 寻找新增任务的插入位置
   insertIndex := q.getTaskInsertIndex(t, 0, len(q.tasks)-1)
   // 找到了插入位置,更新任务列表
   q.tasks = append(q.tasks, &task{})
   copy(q.tasks[insertIndex+1:], q.tasks[insertIndex:])
   q.tasks[insertIndex] = t
}

那么,在监听add管道的时候,我们直接调用上述addTask() 即可。

func (q *DelayQueue) start() {
   for {
      // to do something...
      select {
      case now := <-timer.C:
         // 任务执行时间信号
         // to do something...
      case t := <-q.add:
         // 任务推送信号
         q.addTask(t)
      case id := <-q.remove:
         // 任务删除信号
         // to do something...
      }
   }
}

6、生产者删除任务

// 用户删除任务
func (q *DelayQueue) Delete(id string) {
   q.remove <- id
}

7、任务删除信号的处理

在这里,我们可以遍历任务列表,根据删除任务的id找到其在切片中的对应index。

// 删除指定任务
func (q *DelayQueue) deleteTask(id string) {
   deleteIndex := -1
   for index, t := range q.tasks {
      if t.id == id {
         // 找到了在切片中需要删除的所以呢
         deleteIndex = index
         break
      }
   }
   if deleteIndex == -1 {
      // 如果没有找到删除的任务,说明任务还在add管道中,来不及更新到tasks中,这里我们就将这个删除id临时记录下来
      // 注意,这里暂时不考虑,任务id非法的特殊情况
      q.waitRemoveTaskMapping[id] = struct{}{}
      return
   }
   if len(q.tasks) == 1 {
      // 删除后,任务列表就没有任务了
      q.tasks = []*task{}
      return
   }
   if deleteIndex == len(q.tasks)-1 {
      // 如果删除的是,任务列表的最后一个元素,则执行下列代码
      q.tasks = q.tasks[:len(q.tasks)-1]
      return
   }
   // 如果删除的是,任务列表的其他元素,则需要将deleteIndex之后的元素,全部向前挪动一位
   copy(q.tasks[deleteIndex:len(q.tasks)-1], q.tasks[deleteIndex+1:len(q.tasks)-1])
   q.tasks = q.tasks[:len(q.tasks)-1]
   return
}

然后,我们可以完善start()方法了。

func (q *DelayQueue) start() {
   for {
      // to do something...
      select {
      case now := <-timer.C:
         // 任务执行时间信号
         // to do something...
      case t := <-q.add:
         // 任务推送信号
         q.addTask(t)
      case id := <-q.remove:
         // 任务删除信号
         q.deleteTask(id)
      }
   }
}

8、任务执行信号的处理

start()执行的时候,分成两种情况:任务列表为空,只需要监听add管道即可;任务列表不为空的时候,需要监听所有管道。任务执行信号,主要是依靠timer来实现,属于第二种情况。

func (q *DelayQueue) start() {
   for {
      if len(q.tasks) == 0 {
           // 任务列表为空的时候,只需要监听add管道
           select {
           case t := <-q.add:
              //添加任务
              q.addTask(t)
           }
           continue
      }
      // 任务列表不为空的时候,需要监听所有管道
      // 任务的等待时间=任务的执行时间-当前的时间
      currentTask := q.tasks[0]
      timer := time.NewTimer(currentTask.execTime.Sub(time.Now()))
      select {
      case now := <-timer.C:
         // 任务执行信号
         timer.Stop()
        if _, isRemove := q.waitRemoveTaskMapping[currentTask.id]; isRemove {
           // 之前客户已经发出过该任务的删除信号,因此需要结束任务,刷新任务列表
           q.endTask()
           delete(q.waitRemoveTaskMapping, currentTask.id)
           continue
        }
        // 开启协程,异步执行任务
        go q.execTask(currentTask, now)
        // 任务结束,刷新任务列表
        q.endTask()
      case t := <-q.add:
         // 任务推送信号
         timer.Stop()
         q.addTask(t)
      case id := <-q.remove:
         // 任务删除信号
         timer.Stop()
         q.deleteTask(id)
      }
   }
}

执行任务:

// 执行任务
func (q *DelayQueue) execTask(task *task, currentTime time.Time) {
   if task.execTime.After(currentTime) {
      // 如果当前任务的执行时间落后于当前时间,则不执行
      return
   }
   // 执行任务
   task.f()
   return
}

结束任务,刷新任务列表:

// 一个任务去执行了,刷新任务列表
func (q *DelayQueue) endTask() {
   if len(q.tasks) == 1 {
      q.tasks = []*task{}
      return
   }
   q.tasks = q.tasks[1:]
}

9、完整代码

delay_queue.go

package delay_queue
import (
   "go.mongodb.org/mongo-driver/bson/primitive"
   "time"
)
// 延时任务对象
type DelayQueue struct {
   tasks                 []*task             // 存储任务列表的切片
   add                   chan *task          // 用户添加任务的管道信号
   remove                chan string         // 用户删除任务的管道信号
   waitRemoveTaskMapping map[string]struct{} // 等待删除的任务id列表
}
// 任务对象
type task struct {
   id       string    // 任务id
   execTime time.Time // 执行时间
   f        func()    // 执行函数
}
// 初始化延时任务对象
func InitDelayQueue() *DelayQueue {
   q := &DelayQueue{
      add:                   make(chan *task, 10000),
      remove:                make(chan string, 100),
      waitRemoveTaskMapping: make(map[string]struct{}),
   }
   // 开启协程,监听任务相关信号
   go q.start()
   return q
}
// 用户删除任务
func (q *DelayQueue) Delete(id string) {
   q.remove <- id
}
// 用户推送任务
func (q *DelayQueue) Push(timeInterval time.Duration, f func()) string {
   // 生成一个任务id,方便删除使用
   id := genTaskId()
   t := &task{
      id:       id,
      execTime: time.Now().Add(timeInterval),
      f:        f,
   }
   // 将任务推到add管道中
   q.add <- t
   return id
}
// 监听各种任务相关信号
func (q *DelayQueue) start() {
   for {
      if len(q.tasks) == 0 {
         // 任务列表为空的时候,只需要监听add管道
         select {
         case t := <-q.add:
            //添加任务
            q.addTask(t)
         }
         continue
      }
      // 任务列表不为空的时候,需要监听所有管道
      // 任务的等待时间=任务的执行时间-当前的时间
      currentTask := q.tasks[0]
      timer := time.NewTimer(currentTask.execTime.Sub(time.Now()))
      select {
      case now := <-timer.C:
         timer.Stop()
         if _, isRemove := q.waitRemoveTaskMapping[currentTask.id]; isRemove {
            // 之前客户已经发出过该任务的删除信号,因此需要结束任务,刷新任务列表
            q.endTask()
            delete(q.waitRemoveTaskMapping, currentTask.id)
            continue
         }
         // 开启协程,异步执行任务
         go q.execTask(currentTask, now)
         // 任务结束,刷新任务列表
         q.endTask()
      case t := <-q.add:
         // 添加任务
         timer.Stop()
         q.addTask(t)
      case id := <-q.remove:
         // 删除任务
         timer.Stop()
         q.deleteTask(id)
      }
   }
}
// 执行任务
func (q *DelayQueue) execTask(task *task, currentTime time.Time) {
   if task.execTime.After(currentTime) {
      // 如果当前任务的执行时间落后于当前时间,则不执行
      return
   }
   // 执行任务
   task.f()
   return
}
// 一个任务去执行了,刷新任务列表
func (q *DelayQueue) endTask() {
   if len(q.tasks) == 1 {
      q.tasks = []*task{}
      return
   }
   q.tasks = q.tasks[1:]
}
// 将任务添加到任务切片列表中
func (q *DelayQueue) addTask(t *task) {
   // 寻找新增任务的插入位置
   insertIndex := q.getTaskInsertIndex(t, 0, len(q.tasks)-1)
   // 找到了插入位置,更新任务列表
   q.tasks = append(q.tasks, &task{})
   copy(q.tasks[insertIndex+1:], q.tasks[insertIndex:])
   q.tasks[insertIndex] = t
}
// 删除指定任务
func (q *DelayQueue) deleteTask(id string) {
   deleteIndex := -1
   for index, t := range q.tasks {
      if t.id == id {
         // 找到了在切片中需要删除的所以呢
         deleteIndex = index
         break
      }
   }
   if deleteIndex == -1 {
      // 如果没有找到删除的任务,说明任务还在add管道中,来不及更新到tasks中,这里我们就将这个删除id临时记录下来
      // 注意,这里暂时不考虑,任务id非法的特殊情况
      q.waitRemoveTaskMapping[id] = struct{}{}
      return
   }
   if len(q.tasks) == 1 {
      // 删除后,任务列表就没有任务了
      q.tasks = []*task{}
      return
   }
   if deleteIndex == len(q.tasks)-1 {
      // 如果删除的是,任务列表的最后一个元素,则执行下列代码
      q.tasks = q.tasks[:len(q.tasks)-1]
      return
   }
   // 如果删除的是,任务列表的其他元素,则需要将deleteIndex之后的元素,全部向前挪动一位
   copy(q.tasks[deleteIndex:len(q.tasks)-1], q.tasks[deleteIndex+1:len(q.tasks)-1])
   q.tasks = q.tasks[:len(q.tasks)-1]
   return
}
// 寻找任务的插入位置
func (q *DelayQueue) getTaskInsertIndex(t *task, leftIndex, rightIndex int) (index int) {
   // 使用二分法判断新增任务的插入位置
   if len(q.tasks) == 0 {
      return
   }
   length := rightIndex - leftIndex
   if q.tasks[leftIndex].execTime.Sub(t.execTime) >= 0 {
      // 如果当前切片中最小的元素都超过了插入的优先级,则插入位置应该是最左边
      return leftIndex
   }
   if q.tasks[rightIndex].execTime.Sub(t.execTime) <= 0 {
      // 如果当前切片中最大的元素都没超过插入的优先级,则插入位置应该是最右边
      return rightIndex + 1
   }
   if length == 1 && q.tasks[leftIndex].execTime.Before(t.execTime) && q.tasks[rightIndex].execTime.Sub(t.execTime) >= 0 {
      // 如果插入的优先级刚好在仅有的两个优先级之间,则中间的位置就是插入位置
      return leftIndex + 1
   }
   middleVal := q.tasks[leftIndex+length/2].execTime
   // 这里用二分法递归的方式,一直寻找正确的插入位置
   if t.execTime.Sub(middleVal) <= 0 {
      return q.getTaskInsertIndex(t, leftIndex, leftIndex+length/2)
   } else {
      return q.getTaskInsertIndex(t, leftIndex+length/2, rightIndex)
   }
}
func genTaskId() string {
   return primitive.NewObjectID().Hex()
}

测试代码:delay_queue_test.go

package delay_queue
import (
   "fmt"
   "testing"
   "time"
)
func TestDelayQueue(t *testing.T) {
   q := InitDelayQueue()
   for i := 0; i < 100; i++ {
      go func(i int) {
         id := q.Push(time.Duration(i)*time.Second, func() {
            fmt.Printf("%d秒后执行...\n", i)
            return
         })
         if i%7 == 0 {
            q.Delete(id)
         }
      }(i)
   }
   time.Sleep(time.Hour)
}

头脑风暴

上面的方案,的确实现了延时任务的效果,但是其中仍然有一些问题,仍然值得我们思考和优化。

1、按照上面的方案,如果大量延时任务的执行时间,集中在同一个时间点,会造成短时间内timer频繁地创建和销毁。

2、上述方案相比于time.AfterFunc()方法,我们需要在哪些场景下作出取舍。

3、如果服务崩溃或重启,如何去持久化队列中的任务。

小结

本文和大家讨论了延时任务在golang中的一种实现方案,在这个过程中,一次性定时器timer、切片、管道等golang特色,以及二分插入等常见算法都体现得淋漓尽致。

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