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深入Java線程中斷的本質與編程原則的概述

編輯:JAVA編程入門知識
在歷史上,Java試圖提供過搶占式限制中斷,但問題多多,例如前文介紹的已被廢棄的Thread.stop、Thread.suspend和 Thread.resume等。另一方面,出於Java應用代碼的健壯性的考慮,降低了編程門檻,減少不清楚底層機制的程序員無意破壞系統的概率。

    如今,Java的線程調度不提供搶占式中斷,而采用協作式的中斷。其實,協作式的中斷,原理很簡單,就是輪詢某個表示中斷的標記,我們在任何普通代碼的中都可以實現。

例如下面的代碼:
    volatile bool isInterrupted;
    //…
    while(!isInterrupted) {
        compute();
    }
    但是,上述的代碼問題也很明顯。當compute執行時間比較長時,中斷無法及時被響應。另一方面,利用輪詢檢查標志變量的方式,想要中斷wait和sleep等線程阻塞操作也束手無策。

    如果仍然利用上面的思路,要想讓中斷及時被響應,必須在虛擬機底層進行線程調度的對標記變量進行檢查。是的,JVM中確實是這樣做的。

下面摘自java.lang.Thread的源代碼:

        public static boolean interrupted() {
            return currentThread().isInterrupted(true);
        }
       //…
        private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted);

可以發現,isInterrupted被聲明為native方法,取決於JVM底層的實現。

    實際上,JVM內部確實為每個線程維護了一個中斷標記。但應用程序不能直接訪問這個中斷變量,必須通過下面幾個方法進行操作:

    public class Thread {
        //設置中斷標記
        public void interrupt() { ... } 
        //獲取中斷標記的值
        public boolean isInterrupted() { ... }
        //清除中斷標記,並返回上一次中斷標記的值
        public static boolean interrupted() { ... }  
    }

    通常情況下,調用線程的interrupt方法,並不能立即引發中斷,只是設置了JVM內部的中斷標記。因此,通過檢查中斷標記,應用程序可以做一些特殊操作,也可以完全忽略中斷。

    你可能想,如果JVM只提供了這種簡陋的中斷機制,那和應用程序自己定義中斷變量並輪詢的方法相比,基本也沒有什麼優勢。

    JVM內部中斷變量的主要優勢,就是對於某些情況,提供了模擬自動“中斷陷入”的機制。

    在執行涉及線程調度的阻塞調用時(例如wait、sleep和join),如果發生中斷,被阻塞線程會“盡可能快的”拋出InterruptedException。因此,我們就可以用下面的代碼框架來處理線程阻塞中斷:
    try {
        //wait、sleep或join
    }
    catch(InterruptedException e) {
        //某些中斷處理工作
    }
    所謂“盡可能快”,我猜測JVM就是在線程調度調度的間隙檢查中斷變量,速度取決於JVM的實現和硬件的性能。   

    然而,對於某些線程阻塞操作,JVM並不會自動拋出InterruptedException異常。例如,某些I/O操作和內部鎖操作。對於這類操作,可以用其他方式模擬中斷:

    1)java.io中的異步socket I/O

    讀寫socket的時候,InputStream和OutputStream的read和write方法會阻塞等待,但不會響應java中斷。不過,調用Socket的close方法後,被阻塞線程會拋出SocketException異常。

    2)利用Selector實現的異步I/O

    如果線程被阻塞於Selector.select(在java.nio.channels中),調用wakeup方法會引起ClosedSelectorException異常。

    3)鎖獲取

    如果線程在等待獲取一個內部鎖,我們將無法中斷它。但是,利用Lock類的lockInterruptibly方法,我們可以在等待鎖的同時,提供中斷能力。
    另外,在任務與線程分離的框架中,任務通常並不知道自身會被哪個線程調用,也就不知道調用線程處理中斷的策略。所以,在任務設置了線程中斷標記後,並不能確保任務會被取消。因此,有以下兩條編程原則:
    1)除非你知道線程的中斷策略,否則不應該中斷它。

        這條原則告訴我們,不應該直接調用Executer之類框架中線程的interrupt方法,應該利用諸如Future.cancel的方法來取消任務。

    2)任務代碼不該猜測中斷對執行線程的含義。

        這條原則告訴我們,一般代碼遇在到InterruptedException異常時,不應該將其捕獲後“吞掉”,而應該繼續向上層代碼拋出。

    總之,Java中的非搶占式中斷機制,要求我們必須改變傳統的搶占式中斷思路,在理解其本質的基礎上,采用相應的原則和模式來編程。
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