延时消息实现原理

Kafka中存在大量的延时操作，比如延时生产、延时拉取和延时删除等。Kafka 并没有使用JDK自带的Timer 或DelayQueue来实现延时的功能，而是基于时间轮的概念自定义实现了一个用于延时功能的定时器(SystemTimer)。JDK中Timer和DelayQueue的插入和删除操作的平均时间复杂度为O (nlogn) 并不能满足Kafka的高性能要求，而基于时间轮可以将插入和删除操作的时间复杂度都降为O(1)

时间轮

时间轮(TimingWheel)是一个存储定时任务的环形队列，底层采用数组实现，数组中的每个元素可以存放一个定时任务列表(TimerTaskList见下图) 。TimerTaskList是一个环形的双向链表，链表中的每一项表示的都是定时任务项(TimerTaskEntry)，其中封装了真正的定时任务。下图是一个包括三层结构的时间轮，中心的tickMs、wheelSize、interval分别表示该层的时间的刻度、格数、总跨度。三层时间轮的时间区间分别是[0,20)、[20,400)、[400,160000)。

举个例子，比如现在有一个450ms的任务，那么，该任务最终将被插入第三层时间轮中时间格0（时间区间[400,800)）的TimerTaskList。注意到在该时间格内的可能存在多个任务(比如446ms、455ms和473ms的定时任务)，时间格0对应的TimerTaskList的超时时间expired为400ms。随着时间的流逝，当此TimerTaskList到期之时，原本定时为450ms的任务还剩下50ms的时间，还不能执行这个任务的到期操作。这里就有一个时间轮降级的操作，会将这个剩余时间为50ms的定时任务重新提交到层级时间轮中，此时，该任务被放到第二层时间轮中时间格1到期时间为[40ms, 60ms)的时间格中。再经历40ms之后，此时这个任务又被“ 察觉”，过还剩余10ms，还是不能立即执行到期操作。 所以还要再有一次时间轮的降级，此任务被添加到第一层时间轮的时间格10（时间区间[10ms,11ms)）中，之后再经历10ms后，此任务真正到期，最终执行相应的到期操作。

时间轮的设计源于生活，生活中常见的钟表就是一个三层结构的时间轮。第一层：秒针（tickMs=1s、wheelSize=60、interval=1min）；第二层：分针（tickMs=1min、wheelSize=60、interval=1hour）；第三层：时针（tickMs=1hour、wheelSize=12、interval=12hour）；

任务推进

有了定时任务，Kafka是如何来推进这些任务的呢？Kafka中的定时器借了JDK中的DelayQueue 来协助推进时间轮。 具体做法是：

• 对于每个使用到的TimerTaskList 调用delayQueue.offer加入DelayQueue，超时时间为TimerTaskList对应的expired；
• DelayQueue会根据TimerTaskList 对应的超时时间expiration来排序, 最短expiration 的TimerTaskList会被排在DelayQueue的队头。
• Kafka 中会有一个线程通过调用delayQueue.take来获取DelayQueue中到期的任务列表，这个线程叫作“ExpiredOperationReaper”，可以直译为“过期操作收割机”。
• 对获取到的任务列表，执行具体的任务