Java没有提供任何机制来安全地终止线程,虽然Thread.stop和suspend等方法提供了这样的机制,但是存在严重的缺陷,应该避免使用这些方法。但是Java提供了中断Interruption机制,这是一种协作机制,能够使一个线程终止另一个线程的当前工作。
这种协作方式是必要的,我们很少希望某个任务线程或者服务立即停止,因为这种立即停止会时某个共享的数据结构处于不一致的状态。相反,在编写任务和服务的时候可以使用一种协作方式:当需要停止的时候,它们会先清除当前正在执行的工作,然后再结束。
7.1 任务取消
如果外部代码能够在某个操作正常完成之前将其置于 完成 状态,那么这个操作就可以称为可取消的Cancellable
其中一种协作机制是设置一个取消标志Cancellation Requested标志,而任务定期查看该标志。
@ThreadSafe public class PrimeGenerator implements Runnable { private static ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool(); @GuardedBy("this") private final List<BigInteger> primes = new ArrayList<BigInteger>(); private volatile boolean cancelled; public void run() { BigInteger p = BigInteger.ONE; while (!cancelled) { p = p.nextProbablePrime(); synchronized (this) { primes.add(p); } } } public void cancel() { cancelled = true; } public synchronized List<BigInteger> get() { return new ArrayList<BigInteger>(primes); } static List<BigInteger> aSecondOfPrimes() throws InterruptedException { PrimeGenerator generator = new PrimeGenerator(); exec.execute(generator); try { SECONDS.sleep(1); } finally { generator.cancel(); } return generator.get(); } }
在Java的API或语言规范中,并没有将中断与任何语义关联起来,但实际上,如果在取消之外的其他操作中使用中断,那么都是不合适的,并且很难支撑起更大的应用。
每个线程都有一个boolean类型的中断状态。但中断线程时,这个线程的中断状态将被设置成true。
Thread中的三个方法:
public void interrupt() 中断一个线程
public boolean isInterrupted() 获取中断标志,判断是否中断
public static boolean interrupted() 清楚中断状态,并返回它之前的状态值
线程在阻塞状态下发生中断的时候会抛出InterruptedException,例如Thread.sleep(), Thread.wait(), Thread.join()等方法。
当线程在非阻塞状态下中断的时候,它的中断状态将被设置,然后根据检查中断状态来判断是否中断。
调用interrupt并不意味着立即停止目标线程正在进行的工作,而只是传递了请求中断的消息,换句话说,仅仅修改了线程的isInterrupted标志字段。
通常,中断时实现取消的最合理方式。
public class PrimeProducer extends Thread { private final BlockingQueue<BigInteger> queue; PrimeProducer(BlockingQueue<BigInteger> queue) { this.queue = queue; } public void run() { try { BigInteger p = BigInteger.ONE; while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) queue.put(p = p.nextProbablePrime()); } catch (InterruptedException consumed) { /* Allow thread to exit */ } } public void cancel() { interrupt(); } }
7.1.3 响应中断
只有实现了线程中断策略的代码才可以屏蔽中断请求,在常规任务和库代码中都不应该屏蔽中断请求。
两种方法响应中断:
public class NoncancelableTask { public Task getNextTask(BlockingQueue<Task> queue) { boolean interrupted = false; try { while (true) { try { return queue.take(); } catch (InterruptedException e) { interrupted = true; // fall through and retry } } } finally { if (interrupted) Thread.currentThread().interrupt(); } } interface Task { } }
public class TimedRun { private static final ExecutorService taskExec = Executors.newCachedThreadPool(); public static void timedRun(Runnable r, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { Future<?> task = taskExec.submit(r); try { task.get(timeout, unit); } catch (TimeoutException e) { // task will be cancelled below } catch (ExecutionException e) { // exception thrown in task; rethrow throw launderThrowable(e.getCause()); } finally { // Harmless if task already completed task.cancel(true); // interrupt if running } } }
public abstract class SocketUsingTask<T> implements CancellableTask<T> { @GuardedBy("this") private Socket socket; protected synchronized void setSocket(Socket s) { socket = s; } public synchronized void cancel() { try { if (socket != null) socket.close(); } catch (IOException ignored) { } } public RunnableFuture<T> newTask() { return new FutureTask<T>(this) { public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) { try { SocketUsingTask.this.cancel(); } finally { return super.cancel(mayInterruptIfRunning); } } }; } } interface CancellableTask<T> extends Callable<T> { void cancel(); RunnableFuture<T> newTask(); }
7.2 停止基于线程的服务
应用程序通常会创建拥有多个线程的服务,如果应用程序准备退出,那么这些服务所拥有的线程也需要正确的结束,由于java没有抢占式方法停止线程,因此需要它们自行结束。
正确的封装原则是:除非拥有某个线程,否则不要对该线程进行操控,例如中断线程或者修改优先级等。
线程有个相应的所有者,即创建该线程的类,因此线程池是其工作者线程的所有者,如果要中断线程,那么应该使用线程池去中断。
线程的所有权是不可传递的。服务应该提供生命周期方法Lifecycle Method来关闭它自己以及它所拥有的线程。这样当应用程序关闭该服务的时候,服务就可以关闭所有的线程了。在ExecutorService中提供了shutdown和shutdownNow等方法,同样,在其他拥有线程的服务方法中也应该提供类似的关闭机制。
Tips:对于持有线程的服务,只要服务的存在时间大于创建线程的方法的存在时间,那么就应该提供生命周期方法。
7.2.1 示例:日志服务
我们通常会在应用程序中加入log信息,一般用的框架就是log4j。但是这种内联的日志功能会给一些高容量Highvolume应用程序带来一定的性能开销。另外一种替代方法是通过调用log方法将日志消息放入某个队列中,并由其他线程来处理。
public class LogService { private final BlockingQueue<String> queue; private final LoggerThread loggerThread; private final PrintWriter writer; @GuardedBy("this") private boolean isShutdown; @GuardedBy("this") private int reservations; public LogService(Writer writer) { this.queue = new LinkedBlockingQueue<String>(); this.loggerThread = new LoggerThread(); this.writer = new PrintWriter(writer); } public void start() { loggerThread.start(); } public void stop() { synchronized (this) { isShutdown = true; } loggerThread.interrupt(); } public void log(String msg) throws InterruptedException { synchronized (this) { if (isShutdown) throw new IllegalStateException(/*...*/); ++reservations; } queue.put(msg); } private class LoggerThread extends Thread { public void run() { try { while (true) { try { synchronized (LogService.this) { if (isShutdown && reservations == 0) break; } String msg = queue.take(); synchronized (LogService.this) { --reservations; } writer.println(msg); } catch (InterruptedException e) { /* retry */ } } } finally { writer.close(); } } } }
7.2.2 通过ExecutorService去关闭
简单的程序可以直接在main函数中启动和关闭全局的ExecutorService,而在复杂程序中,通常会将ExecutorService封装在某个更高级别的服务中,并且该服务提供自己的生命周期方法。下面我们利用ExecutorService重构上面的日志服务:
public class LogService { public void stop() throws InterruptedException { try { exec.shutdown(); exec.awaitTermination(TIMEOUT, UNIT); } } }
7.2.3 利用Poison Pill对象关闭Producer-Consumer服务
7.2.5 当关闭线程池的时候,保存尚未开始的和开始后取消的任务数据,以备后面重新处理,下面是一个网页爬虫程序,关闭爬虫服务的时候将记录所有尚未开始的和已经取消的所有页面URL:
public abstract class WebCrawler { private volatile TrackingExecutor exec; @GuardedBy("this") private final Set<URL> urlsToCrawl = new HashSet<URL>(); private final ConcurrentMap<URL, Boolean> seen = new ConcurrentHashMap<URL, Boolean>(); private static final long TIMEOUT = 500; private static final TimeUnit UNIT = MILLISECONDS; public WebCrawler(URL startUrl) { urlsToCrawl.add(startUrl); } public synchronized void start() { exec = new TrackingExecutor(Executors.newCachedThreadPool()); for (URL url : urlsToCrawl) submitCrawlTask(url); urlsToCrawl.clear(); } public synchronized void stop() throws InterruptedException { try { saveUncrawled(exec.shutdownNow()); if (exec.awaitTermination(TIMEOUT, UNIT)) saveUncrawled(exec.getCancelledTasks()); } finally { exec = null; } } protected abstract List<URL> processPage(URL url); private void saveUncrawled(List<Runnable> uncrawled) { for (Runnable task : uncrawled) urlsToCrawl.add(((CrawlTask) task).getPage()); } private void submitCrawlTask(URL u) { exec.execute(new CrawlTask(u)); } private class CrawlTask implements Runnable { private final URL url; CrawlTask(URL url) { this.url = url; } private int count = 1; boolean alreadyCrawled() { return seen.putIfAbsent(url, true) != null; } void markUncrawled() { seen.remove(url); System.out.printf("marking %s uncrawled%n", url); } public void run() { for (URL link : processPage(url)) { if (Thread.currentThread().isInterrupted()) return; submitCrawlTask(link); } } public URL getPage() { return url; } } }
public class TrackingExecutor extends AbstractExecutorService { private final ExecutorService exec; private final Set<Runnable> tasksCancelledAtShutdown = Collections.synchronizedSet(new HashSet<Runnable>()); public TrackingExecutor(ExecutorService exec) { this.exec = exec; } public void shutdown() { exec.shutdown(); } public List<Runnable> shutdownNow() { return exec.shutdownNow(); } public boolean isShutdown() { return exec.isShutdown(); } public boolean isTerminated() { return exec.isTerminated(); } public boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { return exec.awaitTermination(timeout, unit); } public List<Runnable> getCancelledTasks() { if (!exec.isTerminated()) throw new IllegalStateException(/*...*/); return new ArrayList<Runnable>(tasksCancelledAtShutdown); } public void execute(final Runnable runnable) { exec.execute(new Runnable() { public void run() { try { runnable.run(); } finally { if (isShutdown() && Thread.currentThread().isInterrupted()) tasksCancelledAtShutdown.add(runnable); } } }); } }
7.3 处理非正常的线程终止
通过给应用程序提供一个UncaughtExceptionHandler异常处理器来处理未捕获的异常:
public class UEHLogger implements Thread.UncaughtExceptionHandler { public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) { Logger logger = Logger.getAnonymousLogger(); logger.log(Level.SEVERE, "Thread terminated with exception: " + t.getName(), e); } }
只有通过execute提交的任务,才能将它抛出的异常交给未捕获异常处理器。而通过submit提交的任务,无论是抛出未检查异常还是已检查异常,都将被认为是任务返回状态的一部分
7.4 JVM关闭的时候提供关闭钩子
在正常关闭JVM的时候,JVM首先调用所有已注册的关闭钩子Shutdown Hook。关闭钩子可以用来实现服务或者应用程序的清理工作,例如删除临时文件,或者清除无法由操作系统自动清除的资源。
最佳实践是对所有服务都使用同一个关闭钩子,并且在该关闭钩子中执行一系列的关闭操作。这确保了关闭操作在单个线程中串行执行,从而避免竞态条件的发生或者死锁问题。
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() { public void run() { try{LogService.this.stop();} catch(InterruptedException) {..} } })
总结:在任务、线程、服务以及应用程序等模块中的生命周期结束问题,可能会增加它们在设计和实现的时候的复杂性。我们通过利用FutureTask和Executor框架,可以帮助我们构建可取消的任务和服务。
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