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詳細分析Java中斷機製

1. 引言

當我們點擊某個殺毒軟件的取消按鈕來停止查殺病毒時，當我們在控製台敲入quit命令以結束某個後台服務時……都需要通過一個線程去取消另一個線程正在執行的任務。Java沒有提供一種安全直接的方法來停止某個線程，但是Java提供了中斷機製。

如果對Java中斷沒有一個全麵的了解，可能會誤以為被中斷的線程將立馬退出運行，但事實並非如此。中斷機製是如何工作的？捕獲或檢測到中斷後，是拋出 InterruptedException還是重設中斷狀態以及在方法中吞掉中斷狀態會有什麼後果？Thread.stop與中斷相比又有哪些異同？什麼 情況下需要使用中斷？本文將從以上幾個方麵進行描述。

2. 中斷的原理

Java中斷機製是一種協作機製，也就是說通過中斷並不能直接終止另一個線程，而需要被中斷的線程自己處理中斷。這好比是家裏的父母叮囑在外的子女要注意身體，但子女是否注意身體，怎麼注意身體則完全取決於自己。

Java中斷模型也是這麼簡單，每個線程對象裏都有一個boolean類型的標識（不一定就要是Thread類的字段，實際上也的確不是，這幾個方法最終 都是通過native方法來完成的），代表著是否有中斷請求（該請求可以來自所有線程，包括被中斷的線程本身）。例如，當線程t1想中斷線程t2，隻需要 在線程t1中將線程t2對象的中斷標識置為true，然後線程2可以選擇在合適的時候處理該中斷請求，甚至可以不理會該請求，就像這個線程沒有被中斷一 樣。

java.lang.Thread類提供了幾個方法來操作這個中斷狀態，這些方法包括：

public static boolean interrupted

測試當前線程是否已經中斷。線程的中斷狀態 由該方法清除。換句話說，如果連續兩次調用該方法，則第二次調用將返回 false（在第一次調用已清除了其中斷狀態之後，且第二次調用檢驗完中斷狀態前，當前線程再次中斷的情況除外）。

public boolean isInterrupted()

測試線程是否已經中斷。線程的中斷狀態不受該方法的影響。

public void interrupt()

中斷線程。

其中，interrupt方法是唯一能將中斷狀態設置為true的方法。靜態方法interrupted會將當前線程的中斷狀態清除，但這個方法的命名極不直觀，很容易造成誤解，需要特別注意。

上麵的例子中，線程t1通過調用interrupt方法將線程t2的中斷狀態置為true，t2可以在合適的時候調用interrupted或isInterrupted來檢測狀態並做相應的處理。

此外，類庫中的有些類的方法也可能會調用中斷，如FutureTask中的cancel方法，如果傳入的參數為true，它將會在正在運行異步任務的線程 上調用interrupt方法，如果正在執行的異步任務中的代碼沒有對中斷做出響應，那麼cancel方法中的參數將不會起到什麼效果；又如 ThreadPoolExecutor中的shutdownNow方法會遍曆線程池中的工作線程並調用線程的interrupt方法來中斷線程，所以如果 工作線程中正在執行的任務沒有對中斷做出響應，任務將一直執行直到正常結束。

3. 中斷的處理

既然Java中斷機製隻是設置被中斷線程的中斷狀態，那麼被中斷線程該做些什麼？

處理時機

顯然，作為一種協作機製，不會強求被中斷線程一定要在某個點進行處理。實際上，被中斷線程隻需在合適的時候處理即可，如果沒有合適的時間點，甚至可以不處 理，這時候在任務處理層麵，就跟沒有調用中斷方法一樣。“合適的時候”與線程正在處理的業務邏輯緊密相關，例如，每次迭代的時候，進入一個可能阻塞且無法 中斷的方法之前等，但多半不會出現在某個臨界區更新另一個對象狀態的時候，因為這可能會導致對象處於不一致狀態。

處理時機決定著程序的效率與中斷響應的靈敏性。頻繁的檢查中斷狀態可能會使程序執行效率下降，相反，檢查的較少可能使中斷請求得不到及時響應。如果發出中 斷請求之後，被中斷的線程繼續執行一段時間不會給係統帶來災難，那麼就可以將中斷處理放到方便檢查中斷，同時又能從一定程度上保證響應靈敏度的地方。當程 序的性能指標比較關鍵時，可能需要建立一個測試模型來分析最佳的中斷檢測點，以平衡性能和響應靈敏性。

處理方式

1、 中斷狀態的管理

一般說來，當可能阻塞的方法聲明中有拋出InterruptedException則暗示該方法是可中斷的，如BlockingQueue#put、 BlockingQueue#take、Object#wait、Thread#sleep等，如果程序捕獲到這些可中斷的阻塞方法拋出的 InterruptedException或檢測到中斷後，這些中斷信息該如何處理？一般有以下兩個通用原則：

  • 如果遇到的是可中斷的阻塞方法拋出InterruptedException，可以繼續向方法調用棧的上層拋出該異常，如果是檢測到中斷，則可清除中斷狀態並拋出InterruptedException，使當前方法也成為一個可中斷的方法。
  • 若有時候不太方便在方法上拋出InterruptedException，比如要實現的某個接口中的方法簽名上沒有throws InterruptedException，這時就可以捕獲可中斷方法的InterruptedException並通過 Thread.currentThread.interrupt()來重新設置中斷狀態。如果是檢測並清除了中斷狀態，亦是如此。

一般的代碼中，尤其是作為一個基礎類庫時，絕不應當吞掉中斷，即捕獲到InterruptedException後在catch裏什麼也不做，清除中斷狀 態後又不重設中斷狀態也不拋出InterruptedException等。因為吞掉中斷狀態會導致方法調用棧的上層得不到這些信息。

當然，凡事總有例外的時候，當你完全清楚自己的方法會被誰調用，而調用者也不會因為中斷被吞掉了而遇到麻煩，就可以這麼做。

總得來說，就是要讓方法調用棧的上層獲知中斷的發生。假設你寫了一個類庫，類庫裏有個方法amethod，在amethod中檢測並清除了中斷狀態，而沒 有拋出InterruptedException，作為amethod的用戶來說，他並不知道裏麵的細節，如果用戶在調用amethod後也要使用中斷來 做些事情，那麼在調用amethod之後他將永遠也檢測不到中斷了，因為中斷信息已經被amethod清除掉了。如果作為用戶，遇到這樣有問題的類庫，又 不能修改代碼，那該怎麼處理？隻好在自己的類裏設置一個自己的中斷狀態，在調用interrupt方法的時候，同時設置該狀態，這實在是無路可走時才使用 的方法。

2、 中斷的響應

程序裏發現中斷後該怎麼響應？這就得視實際情況而定了。有些程序可能一檢測到中斷就立馬將線程終止，有些可能是退出當前執行的任務，繼續執行下一個任 務……作為一種協作機製，這要與中斷方協商好，當調用interrupt會發生些什麼都是事先知道的，如做一些事務回滾操作，一些清理工作，一些補償操作 等。若不確定調用某個線程的interrupt後該線程會做出什麼樣的響應，那就不應當中斷該線程。

4. Thread.interrupt VS Thread.stop

Thread.stop方法已經不推薦使用了。而在某些方麵Thread.stop與中斷機製有著相似之處。如當線程在等待內置鎖或IO時，stop跟 interrupt一樣，不會中止這些操作；當catch住stop導致的異常時，程序也可以繼續執行，雖然stop本意是要停止線程，這麼做會讓程序行 為變得更加混亂。

那麼它們的區別在哪裏？最重要的就是中斷需要程序自己去檢測然後做相應的處理，而Thread.stop會直接在代碼執行過程中拋出ThreadDeath錯誤，這是一個java.lang.Error的子類。

在繼續之前，先來看個小例子：

01 package com.ticmy.interrupt;
02 import java.util.Arrays;
03 import java.util.Random;
04 import java.util.concurrent.TimeUnit;
05 public class TestStop {
06     private static final int[] array = new int[80000];
07     private static final Thread t = new Thread() {
08         public void run() {
09             try {
10                 System.out.println(sort(array));
11             } catch (Error err) {
12                 err.printStackTrace();
13             }
14             System.out.println("in thread t");
15         }
16     };
17      
18     static {
19         Random random = new Random();
20         for(int i = 0; i < array.length; i++) {
21             array[i] = random.nextInt(i + 1);
22         }
23     }
24      
25     private static int sort(int[] array) {
26         for (int i = 0; i < array.length-1; i++){
27             for(int j = 0 ;j < array.length - i - 1; j++){
28                 if(array[j] < array[j + 1]){
29                     int temp = array[j];
30                     array[j] = array[j + 1];
31                     array[j + 1] = temp;
32                 }
33             }
34         }
35         return array[0];
36     }
37      
38     public static void main(String[] args) throws Exception {
39         t.start();
40         TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
41         System.out.println("go to stop thread t");
42         t.stop();
43         System.out.println("finish main");
44     }
45 }

這個例子很簡單，線程t裏麵做了一個非常耗時的排序操作，排序方法中，隻有簡單的加、減、賦值、比較等操作，一個可能的執行結果如下： 

go to stop thread t
java.lang.ThreadDeath
	at java.lang.Thread.stop(Thread.java:758)
	at com.ticmy.interrupt.TestStop.main(TestStop.java:44)
finish main
in thread t

這裏sort方法是個非常耗時的操作，也就是說主線程休眠一秒鍾後調用stop的時候，線程t還在執行sort方法。就是這樣一個簡單的方法，也會拋出錯誤！換一句話說，調用stop後，大部分Java字節碼都有可能拋出錯誤，哪怕是簡單的加法！

如果線程當前正持有鎖，stop之後則會釋放該鎖。由於此錯誤可能出現在很多地方，那麼這就讓編程人員防不勝防，極易造成對象狀態的不一致。例如，對象 obj中存放著一個範圍值：最小值low，最大值high，且low不得大於high，這種關係由鎖lock保護，以避免並發時產生競態條件而導致該關係 失效。假設當前low值是5，high值是10，當線程t獲取lock後，將low值更新為了15，此時被stop了，真是糟糕，如果沒有捕獲住stop 導致的Error，low的值就為15，high還是10，這導致它們之間的小於關係得不到保證，也就是對象狀態被破壞了！如果在給low賦值的時候 catch住stop導致的Error則可能使後麵high變量的賦值繼續，但是誰也不知道Error會在哪條語句拋出，如果對象狀態之間的關係更複雜 呢？這種方式幾乎是無法維護的，太複雜了！如果是中斷操作，它決計不會在執行low賦值的時候拋出錯誤，這樣程序對於對象狀態一致性就是可控的。

正是因為可能導致對象狀態不一致，stop才被禁用。

5. 中斷的使用

通常，中斷的使用場景有以下幾個：

  • 點擊某個桌麵應用中的取消按鈕時；
  • 某個操作超過了一定的執行時間限製需要中止時；
  • 多個線程做相同的事情，隻要一個線程成功其它線程都可以取消時；
  • 一組線程中的一個或多個出現錯誤導致整組都無法繼續時；
  • 當一個應用或服務需要停止時。

下麵來看一個具體的例子。這個例子裏，本打算采用GUI形式，但考慮到GUI代碼會使程序複雜化，就使用控製台來模擬下核心的邏輯。這裏新建了一個磁盤文 件掃描的任務，掃描某個目錄下的所有文件並將文件路徑打印到控製台，掃描的過程可能會很長。若需要中止該任務，隻需在控製台鍵入quit並回車即可。

01 package com.ticmy.interrupt;
02 import java.io.BufferedReader;
03 import java.io.File;
04 import java.io.InputStreamReader;
05  
06 public class FileScanner {
07     private static void listFile(File f) throws InterruptedException {
08         if(f == null) {
09             throw new IllegalArgumentException();
10         }
11         if(f.isFile()) {
12             System.out.println(f);
13             return;
14         }
15         File[] allFiles = f.listFiles();
16         if(Thread.interrupted()) {
17             throw new InterruptedException("文件掃描任務被中斷");
18         }
19         for(File file : allFiles) {
20             //還可以將中斷檢測放到這裏
21             listFile(file);
22         }
23     }
24      
25     public static String readFromConsole() {
26         BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
27         try {
28             return reader.readLine();
29         } catch (Exception e) {
30             e.printStackTrace();
31             return "";
32         }
33     }
34      
35     public static void main(String[] args) throws Exception {
36         final Thread fileIteratorThread = new Thread() {
37             public void run() {
38                 try {
39                     listFile(new File("c:\\"));
40                 } catch (InterruptedException e) {
41                     e.printStackTrace();
42                 }
43             }
44         };
45         new Thread() {
46             public void run() {
47                 while(true) {
48                     if("quit".equalsIgnoreCase(readFromConsole())) {
49                         if(fileIteratorThread.isAlive()) {
50                             fileIteratorThread.interrupt();
51                             return;
52                         }
53                     } else {
54                         System.out.println("輸入quit退出文件掃描");
55                     }
56                 }
57             }
58         }.start();
59         fileIteratorThread.start();
60     }
61 }

在掃描文件的過程中，對於中斷的檢測這裏采用的策略是，如果碰到的是文件就不檢測中斷，是目錄才檢測中斷，因為文件可能是非常多的，每次遇到文件都檢測一 次會降低程序執行效率。此外，在fileIteratorThread線程中，僅是捕獲了InterruptedException，沒有重設中斷狀態也 沒有繼續拋出異常，因為我非常清楚它的使用環境，run方法的調用棧上層已經沒有可能需要檢測中斷狀態的方法了。

在這個程序中，輸入quit完全可以執行System.exit(0)操作來退出程序，但正如前麵提到的，這是個GUI程序核心邏輯的模擬，在GUI中，執行System.exit(0)會使得整個程序退出。

6. 參考資料

文章轉自 並發編程網-ifeve.com

最後更新：2017-05-22 17:31:41

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