<<java 并发编程>>第七章：取消和关闭

浏览数：27 / 时间：2015年06月08日

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。

Java代码

@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。

Java代码

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:

* 传递异常InterruptedException

* 恢复中断状态，从而使调用栈中上层代码能够对其进行处理

不可取消的任务在退出前恢复中断标志

Java代码

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 {
}
}

7.1.5 定时任务，通过Future来实现取消：

除非你清楚线程的中断策略，否则不要中断线程，那么在神马情况下调用cancel可以将参数指定为true呢。

如果任务的线程是由标准的Executor创建的，那么可以设置mayInterruptIfRunning。

Java代码

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
}
}
}

7.1.6 处理不可中断的阻塞

对于这些线程，中断请求只能设置线程的中断状态，除此之外没有其他任何作用。

我们可以使用类似中断的手段来停止这些线程，但这要求知道线程阻塞的原因。

通过newTaskFor将非标准的取消操作封装在一个任务中：

Java代码

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。

Java代码

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：

Java代码

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：

Java代码

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;
}
}
}

Java代码

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：

Java代码

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。

Java代码