计算机程序的思维逻辑 (69) – 线程的中断

本节主要讨论一个问题,如何在Java中取消或关闭一个线程?

取消/关闭的场景

我们知道,通过线程的start方法启动一个线程后,线程开始执行run方法,run方法运行结束后线程退出,那为什么还需要结束一个线程呢?有多种情况,比如说:

  • 很多线程的运行模式是死循环,比如在生产者/消费者模式中,消费者主体就是一个死循环,它不停的从队列中接受任务,执行任务,在停止程序时,我们需要一种”优雅”的方法以关闭该线程。
  • 在一些图形用户界面程序中,线程是用户启动的,完成一些任务,比如从远程服务器上下载一个文件,在下载过程中,用户可能会希望取消该任务。
  • 在一些场景中,比如从第三方服务器查询一个结果,我们希望在限定的时间内得到结果,如果得不到,我们会希望取消该任务。
  • 有时,我们会启动多个线程做同一件事,比如类似抢火车票,我们可能会让多个好友帮忙从多个渠道买火车票,只要有一个渠道买到了,我们会通知取消其他渠道。

取消/关闭的机制

Java的Thread类定义了如下方法:

public final void stop()

这个方法看上去就可以停止线程,但这个方法被标记为了过时,简单的说,我们不应该使用它,可以忽略它。

在Java中,停止一个线程的主要机制是中断,中断并不是强迫终止一个线程,它是一种协作机制,是给线程传递一个取消信号,但是由线程来决定如何以及何时退出,本节我们主要就是来理解Java的中断机制。

Thread类定义了如下关于中断的方法:

public boolean isInterrupted()
public void interrupt()
public static boolean interrupted() 

这三个方法名字类似,比较容易混淆,我们解释一下。isInterrupted()和interrupt()是实例方法,调用它们需要通过线程对象,interrupted()是静态方法,实际会调用Thread.currentThread()操作当前线程。

每个线程都有一个标志位,表示该线程是否被中断了。

  • isInterrupted:就是返回对应线程的中断标志位是否为true。
  • interrupted:返回当前线程的中断标志位是否为true,但它还有一个重要的副作用,就是清空中断标志位,也就是说,连续两次调用interrupted(),第一次返回的结果为true,第二次一般就是false (除非同时又发生了一次中断)。
  • interrupt:表示中断对应的线程,中断具体意味着什么呢?下面我们进一步来说明。

线程对中断的反应

interrupt()对线程的影响与线程的状态和在进行的IO操作有关,我们先主要考虑线程的状态:

  • RUNNABLE:线程在运行或具备运行条件只是在等待操作系统调度
  • WAITING/TIMED_WAITING:线程在等待某个条件或超时
  • BLOCKED:线程在等待锁,试图进入同步块
  • NEW/TERMINATED:线程还未启动或已结束

RUNNABLE

如果线程在运行中,且没有执行IO操作,interrupt()只是会设置线程的中断标志位,没有任何其它作用。线程应该在运行过程中合适的位置检查中断标志位,比如说,如果主体代码是一个循环,可以在循环开始处进行检查,如下所示:

public class InterruptRunnableDemo extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            // ... 单次循环代码
        }
        System.out.println("done ");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new InterruptRunnableDemo();
        thread.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread.interrupt();
    }
}

WAITING/TIMED_WAITING

线程执行如下方法会进入WAITING状态:

public final void join() throws InterruptedException
public final void wait() throws InterruptedException

执行如下方法会进入TIMED_WAITING状态:

public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
public static native void sleep(long millis) throws InterruptedException;
public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException

在这些状态时,对线程对象调用interrupt()会使得该线程抛出InterruptedException,需要注意的是,抛出异常后,中断标志位会被清空,而不是被设置。比如说,执行如下代码:

Thread t = new Thread (){
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(isInterrupted());
        }
    }        
};
t.start();
try {
    Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
}
t.interrupt();

程序的输出为false。

InterruptedException是一个受检异常,线程必须进行处理。我们在异常处理中介绍过,处理异常的基本思路是,如果你知道怎么处理,就进行处理,如果不知道,就应该向上传递,通常情况下,你不应该做的是,捕获异常然后忽略。

捕获到InterruptedException,通常表示希望结束该线程,线程大概有两种处理方式:

  1. 向上传递该异常,这使得该方法也变成了一个可中断的方法,需要调用者进行处理。
  2. 有些情况,不能向上传递异常,比如Thread的run方法,它的声明是固定的,不能抛出任何受检异常,这时,应该捕获异常,进行合适的清理操作,清理后,一般应该调用Thread的interrupt方法设置中断标志位,使得其他代码有办法知道它发生了中断。

第一种方式的示例代码如下:

public void interruptibleMethod() throws InterruptedException{
    // ... 包含wait, join 或 sleep 方法
    Thread.sleep(1000);
}

第二种方式的示例代码如下:

public class InterruptWaitingDemo extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            try {
                // 模拟任务代码
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // ... 清理操作
                // 重设中断标志位
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
        System.out.println(isInterrupted());
    }

    public static void main(String[] args) {
        InterruptWaitingDemo thread = new InterruptWaitingDemo();
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        thread.interrupt();
    }
}

BLOCKED

如果线程在等待锁,对线程对象调用interrupt()只是会设置线程的中断标志位,线程依然会处于BLOCKED状态,也就是说,interrupt()并不能使一个在等待锁的线程真正”中断”。我们看段代码:

public class InterruptSynchronizedDemo {
    private static Object lock = new Object();

    private static class A extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                }
            }
            System.out.println("exit");
        }
    }

    public static void test() throws InterruptedException {
        synchronized (lock) {
            A a = new A();
            a.start();
            Thread.sleep(1000);

            a.interrupt();
            a.join();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test();
    }
}

test方法在持有锁lock的情况下启动线程a,而线程a也去尝试获得锁lock,所以会进入锁等待队列,随后test调用线程a的interrupt方法并等待线程线程a结束,线程a会结束吗?不会,interrupt方法只会设置线程的中断标志,而并不会使它从锁等待队列中出来。

我们稍微修改下代码,去掉test方法中的最后一行a.join,即变为:

public static void test() throws InterruptedException {
    synchronized (lock) {
        A a = new A();
        a.start();
        Thread.sleep(1000);

        a.interrupt();
    }
}

这时,程序就会退出。为什么呢?因为主线程不再等待线程a结束,释放锁lock后,线程a会获得锁,然后检测到发生了中断,所以会退出。

在使用synchronized关键字获取锁的过程中不响应中断请求,这是synchronized的局限性。如果这对程序是一个问题,应该使用显式锁,后面章节我们会介绍显式锁Lock接口,它支持以响应中断的方式获取锁。

NEW/TERMINATE

如果线程尚未启动(NEW),或者已经结束(TERMINATED),则调用interrupt()对它没有任何效果,中断标志位也不会被设置。比如说,以下代码的输出都是false。

public class InterruptNotAliveDemo {
    private static class A extends Thread {
        @Override
        public void run() {
        }
    }

    public static void test() throws InterruptedException {
        A a = new A();
        a.interrupt();
        System.out.println(a.isInterrupted());

        a.start();
        Thread.sleep(100);
        a.interrupt();
        System.out.println(a.isInterrupted());
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        test();
    }
}

IO操作

如果线程在等待IO操作,尤其是网络IO,则会有一些特殊的处理,我们没有介绍过网络,这里只是简单介绍下。

  • 如果IO通道是可中断的,即实现了InterruptibleChannel接口,则线程的中断标志位会被设置,同时,线程会收到异常ClosedByInterruptException。
  • 如果线程阻塞于Selector调用,则线程的中断标志位会被设置,同时,阻塞的调用会立即返回。

我们重点介绍另一种情况,InputStream的read调用,该操作是不可中断的,如果流中没有数据,read会阻塞 (但线程状态依然是RUNNABLE),且不响应interrupt(),与synchronized类似,调用interrupt()只会设置线程的中断标志,而不会真正”中断”它,我们看段代码。

public class InterruptReadDemo {
    private static class A extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while(!Thread.currentThread().isInterrupted()){
                try {
                    System.out.println(System.in.read());
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }    
            }
            System.out.println("exit");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        A t = new A();
        t.start();
        Thread.sleep(100);

        t.interrupt();
    }
}

线程t启动后调用System.in.read()从标准输入读入一个字符,不要输入任何字符,我们会看到,调用interrupt()不会中断read(),线程会一直运行。

不过,有一个办法可以中断read()调用,那就是调用流的close方法,我们将代码改为:

public class InterruptReadDemo {
    private static class A extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                try {
                    System.out.println(System.in.read());
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("exit");
        }

        public void cancel() {
            try {
                System.in.close();
            } catch (IOException e) {
            }
            interrupt();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        A t = new A();
        t.start();
        Thread.sleep(100);

        t.cancel();
    }
}

我们给线程定义了一个cancel方法,在该方法中,调用了流的close方法,同时调用了interrupt方法,这次,程序会输出:

-1
exit

也就是说,调用close方法后,read方法会返回,返回值为-1,表示流结束。

如何正确地取消/关闭线程

以上,我们可以看出,interrupt方法不一定会真正”中断”线程,它只是一种协作机制,如果不明白线程在做什么,不应该贸然的调用线程的interrupt方法,以为这样就能取消线程。

对于以线程提供服务的程序模块而言,它应该封装取消/关闭操作,提供单独的取消/关闭方法给调用者,类似于InterruptReadDemo中演示的cancel方法,外部调用者应该调用这些方法而不是直接调用interrupt

Java并发库的一些代码就提供了单独的取消/关闭方法,比如说,Future接口提供了如下方法以取消任务: 

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);

再比如,ExecutorService提供了如下两个关闭方法:

void shutdown();
List<Runnable> shutdownNow();

Future和ExecutorService的API文档对这些方法都进行了详细说明,这是我们应该学习的方式。关于这两个接口,我们后续章节介绍。

小结

本节主要介绍了在Java中如何取消/关闭线程,主要依赖的技术是中断,但它是一种协作机制,不会强迫终止线程,我们介绍了线程在不同状态和IO操作时对中断的反应,作为线程的实现者,应该提供明确的取消/关闭方法,并用文档描述清楚其行为,作为线程的调用者,应该使用其取消/关闭方法,而不是贸然调用interrupt。

65节到本节,我们介绍的都是关于线程的基本内容,在Java中还有一套并发工具包,位于包java.util.concurrent下,里面包括很多易用且高性能的并发开发工具,从下一节开始,我们就来讨论它,先从最基本的原子变量和CAS操作开始。

(与其他章节一样,本节所有代码位于 https://github.com/swiftma/program-logic)

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